【Java并发基础】并发编程领域的三个问题:分工、同步和互斥

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前言

可以将Java并发编程抽象为三个核心问题:分工、同步和互斥。
这三个问题的产生源自对性能的需求。最初时,为提高计算机的效率,当IO在等待时不让CPU空闲,于是就出现了分时操作系统也就出现了并发。后来,多核CPU出现,不同的任务可以同时独立运行,于是就出现了并行【分工】。有了分工后,效率得到了很大的提升,但是为了更合理的安排以及控制任务的进行,就需要让进程之间可以通信【同步】,让彼此知道进度的执行。分工进行提高了效率,但是却带来了多线程访问共享资源会冲突的问题。于是对共享资源的访问又需要串行化。所以,依据现实世界的做法设计了锁等机制来使得多线程【互斥】访问共享资源。

分工(性能)

分工的主要工作是:如何高效拆解任务并分配给线程。   

Java SDK并发包中的ExecutorFork/JoinFuture本质上都是分工方法。
并发编程中的一些设计模型也是指导如何分工:生产者——消费者Thread-Per-MessageWork Thread等。

 同步(性能)

在并发编程的同步,主要指的就是线程间的协作。即当一个线程执行完了,该如何通知后续任务的线程展开工作。

协作一般和分工相关。Java SDK中ExecutorFork/JoinFuture本质上是分工方法但是也解决线程之间的协作问题(如Future异步调用,get())。Java SDK里提供的CountDownLatchCyclicBarrierPhaserExchanger也是用于解决线程之间的协作问题。

线程协作问题都可以被描述为:当某个条件不满足时,线程需要等待,当某个条件满足使,线程需要被唤醒执行

Spring循环依赖的解决

互斥(正确性/线程安全)

互斥指的是:在同一时刻,只允许一个线程访问共享变量。

因为 可见性有序性原子性(后面会有文章介绍)问题,多个线程访问同一个共享变量会导致结果的不确定 。
为了解决这三个问题,Java语言引入了内存模型,内存模型提供了一系列的规则,利用这些规则我们可以避免可见性问题、有序性问题,但是还不能完全解决线程安全问题。

解决线程安全问题的核心方案还是互斥

实现互斥的核心技术就是锁。 Java语言中synchronized、SDK中的各种Lock都可以解决互斥问题,但是锁却会带来性能问题,于是我们就需要平衡。

主要方案有:分场景优化,优化读多写少场景:ReadWriteLockStampledLock以及无锁结构Java SDK中的原子类;其他方案,原理为不共享变量或者变量只允许读,Java中提供了Thread LocalFinal关键字和Copy-on-write 模式。

小结

在看极客时间专栏《Java并发编程实战》学习攻略时,感触还是比较深。平时学习知识都是“独立”的,没有一种“全局”观念,也很少联系其他一些理论来侧面验证学习的知识,导致学过后就很容易忘记。看了这篇专栏前言后,总结出:学习知识时,要跳出来看全景,钻进去看本质。要知道每一种技术背后都应该有理论支持,并且这个理论可能是跨领域的,所以,掌握技术背后的理论十分很重要!
针对Java并发编程应该要结合操作系统一起来学习,如后面将要介绍的可见性、有序性和原子性。理解可见性就需要了解CPU和缓存的知识;理解原子性就需要理解操作系统的知识;很多无锁算法也是和CPU缓存有关。要联系起CPU、内存、I/O之间的关系。

参考:
[1]极客时间专栏王宝令《Java并发编程实战》

C#多线程与异步

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原文地址:《【Java并发基础】并发编程领域的三个问题:分工、同步和互斥》 发布于2020-01-13

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