关于高并发你必须知道的几个概念

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本篇简介: 本篇记录高并发必须知道的几个概念，如有出入还望指正。

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同步（Synchronous）和异步（Asynchronous）

同步和异步通常来形容一次方法调用，同步方法调用一旦开始，调用者必须等到方法调用返回后，才能继续后续的行为。异步方法调用更像一个消息传递，一旦开始，方法调用就会立即返回，调用者就可以继续后续的操作。而异步方法通常会在另外一个线程中“真实”地执行。整个过程，不会阻碍调用者的工作。

上图中显示了同步方法调用和异步方法调用的区别。对于调用者来说，异步调用似乎是一瞬间就完成的。如果异步调用需要返回结果，那么当这个异步调用真实完成时，则会通知调用者。

并发（Concurrency）与并行（Parallelism）

并发和并行是两个非常容易被混淆的概念。他们都可以表示两个或者多个任务一起执行，但是侧重点有所不同。并发偏重于多个任务交替执行，而多个任务之间有可能还是串行的，而并行是真正意义上的“同时执行”，下图很好地诠释了这点。

从严格意义上来说，并行的多任务是真的同时执行，而对于并发来说，这个过程只是交替的，一会执行任务A，一会执行任务B，系统会不停地在两者之间切换。但对于外部观察者来说，即使多个任务之间是串行并发的，也会造成多任务间并行执行的错觉。

并发说的是在一个时间段内，多件事情在这个时间段内交替执行。

并行说的是多件事情在同一个时刻同时发生。

实际上，如果系统内只有一个CPU，而使用多进程或者多线程任务，那么真实环境中这些任务不可能是真实并行的，毕竟一个CPU一次只能执行一条指令，在这种情况下多进程或者多线程就是并发的，而不是并行的（操作系统会不停地切换多任务）。真实的并行也只可能出现在拥有多个CPU的系统中（比如多核CPU）。

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临界区

临界区用来表示一种公共资源或者说共享数据，可以被多个线程使用，但是每一次只能有一个线程使用它，一旦临界区资源被占用，其他线程要想使用这个资源就必须等待。

比如，一个办公室里有一台打印机，打印机一次只能执行一个任务。如果小王和小明同时需要打印文件，很明显，如果小王先发了打印任务，打印机就开始打印小王的文件，小明的任务就只能等待小王打印结束后才能打印，这里的打印机就是一个临界区的例子。

在并行程序中，临界区资源是保护的对象，如果意外出现打印机同时执行两个任务的情况，那么最有可能的结果就是打印出来的文件是损坏的文件，它既不是小王想要的，也不是小明想要的。

阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-Blocking）

阻塞和非阻塞通常用来形容很多线程间的相互影响。比如一个线程占用了临界区资源，那么其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区中等待。等待会导致线程挂起，这种情况就是阻塞。此时，如果占用资源的线程一直不愿意释放资源，那么其他线程阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。

非阻塞的意思与之相反，它强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行，所有的线程都会尝试不断向前执行。

死锁（Deadlock）、饥饿（Starvation）和活锁（Livelock）

死锁、饥饿和活锁都属于多线程的活跃性问题。如果发现上述几种情况，那么相关线程就不再活跃，也就是说它可能很难再继续往下执行了。

死锁应该是最糟糕的一种情况了（当然，其他几种情况也好不到哪里去），如下图显示了一个死锁的发生：

线程1有用资源A，占用A，对A上锁，线程2拥有资源B占用B，对B上锁，同时线程1请求资源B，线程2请求资源A，又因为资源都被占用，彼此都不会释放资源，那么这个状况将永远持续下去，谁都不可能拥有对方的资源，死锁是一个很严重的并且应该避免和实时小心的问题，后面的文章中会做更详细的讨论。

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饥饿是指线程因资源获取不足而无法继续执行的情况。可能的原因包括线程优先级过低，导致高优先级的线程不断抢占资源，使低优先级线程无法正常运行。在自然环境中，雏鸟因食物有限而无法获得足够的食物，这种情况与线程的饥饿相似。另外，某个线程一直占用关键资源，导致其他需要该资源的线程无法正常执行，也属于饥饿的一种。与死锁相比，饥饿问题可能在一段时间后得到解决，例如高优先级的线程完成任务后不再占用资源。

活锁是一种有趣的状况，类似于你和电梯外的人互相礼让导致无法通过的情况。如果线程的智能不足，且遵循“谦让”原则，主动释放资源给其他线程使用，就会导致资源在两个线程之间不断跳动，而没有一个线程能够同时获得所有资源并正常执行。这种情况就是活锁。

线程（Threads）与进程（Processes）

进程：进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。

进程的特质

动态性：进程是程序的一次执行过程，是临时的，有生命期的，是动态产生，动态消亡的

并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行

独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

结构性：进程由程序，数据和进程控制块（PCB）三部分组成

线程：是程序执行的最小单元，使用多线程而不是多进程去进行并发程序的设计，是因为线程间的切换和调度的成本远远小于进程。

线程的状态

New：表示刚刚创建的线程，这种线程还没有开始执行

RUNNABLE：运行状态，线程的start()方法调用后，线程会处于这种状态

BLOCKED：阻塞状态。当线程在执行的过程中遇到了synchronized同步块，但这个同步块被其他线程已获取还未释放时，当前线程将进入阻塞状态，会暂停执行，直到获取到锁。当线程获取到锁之后，又会进入到运行状态（RUNNABLE）

WAITING：等待状态。和TIMEWAITING都表示等待状态，区别是WAITING会进入一个无时间限制的等待，而TIMEWAITING会进入一个有限的时间等待，那么等待的线程究竟在等什么呢？一般来说，WAITING的线程正式在等待一些特殊的事件，比如，通过wait()方法等待的线程在等待notify()方法，而通过join()方法等待的线程则会等待目标线程的终止。一旦等到期望的事件，线程就会再次进入RUNNABLE运行状态。

TERMINATED：表示结束状态，线程执行完毕之后进入结束状态。

线程的所有状态在java.lang.Thread中的State枚举中定义。

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两个定理

Amdahl定律(阿姆达定律)

Gustafson定律(古斯塔夫森定律)

感兴趣的小伙伴可以自行查阅。