【Java并发编程】并发编程面临的问题（简述）

概述

并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。如果想通过多线程使程序运行更快，那么将会面临很多挑战。

上下文切换

即使单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般在几十毫秒。

CPU在执行完一个时间片的任务，要切换到下一个时间片任务时，需要先保存当前任务的状态，以便下一次切换回该任务时，再加载这个任务状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文的切换。

如何减少上下文的切换

减少上下文切换可以通过无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

1. 无锁并发编程：多线程竞争时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程不同段的数据。
2. CAS算法：java的atomic包，使用CAS算法来更新数据，不需要使用锁。
3. 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程处于等待状态。
4. 在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务的切换。

死锁

如果在并发环境下，多线程互相竞争共享资源，彼此等待对方释放锁，就会导致程序出现问题，无法继续执行。那么如何避免死锁呢？

1. 避免一个线程同时获取多个锁；
2. 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源；
3. 尝试使用定时所，Lock.tryLock(timeout)来代替使用内部锁机制；
4. 对于数据库锁，加锁和解锁必须在同一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况；

资源限制的挑战

资源限制是指在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件资源或软件资源。例如，服务器带宽只有2Mb/s。某个资源下载速度为1Mb/s，系统启动10个线程下载该资源，下载速度不会编程10Mb/s，所以在并发编程时，需要考虑资源的限制。硬件资源限制有带宽限制、硬盘读写速度、CPU处理速度等。软件资源限制有数据库连接数限制和socket连接数限制。

在并发编程中，将代码执行速度加快的原则是将部分串行的代码变为并行执行的。但是如果某段串行代码并发执行受限于资源，仍然在串行，那么程序的执行不仅不会加快，反而会变慢，因为涉及到上下文切换和资源的调度。

对于硬件资源限制，可以考虑集群并行执行程序。对于软件资源的限制，可以考虑使用资源池将资源复用。同时需要根据不同的资源限制调整程序的并发度。

注：摘自《Java并发编程的艺术》