并发基础

概念

进程（Process）&线程（Thread）

• 进程是系统资源分配的最小单元；线程是CPU调度的最小单元
• 一个进程至少包含一个线程，可以包含多个线程。这些线程共享这个进程的资源
• 每个线程都拥有独立的运行栈和程序计数器，线程切换开销小
• 多进程指的是操作系统同时运行多个程序，如当前操作系统同时运行着QQ、微信等
• 多线程指的是同一进程中同时运行多个线程，如迅雷运行时，可以开启多个线程，同时进行多个文件的下载

并发（Concurrency）&并行（Parallel）

并发&并行都是采用多线程技术来提高CPU的使用率

• 并发（Concurrency）
  强调一个处理器同时处理多个任务，并不是正在同时运行
• 并行（Parallelism）
  强调多个处理器或多核的处理器同时处理多个不同的任务，同时运行多段代码

同步

在并发中，可以将同步定义为一种协调两个或多个任务以获得预期结果的机制

• 控制同步
  当一个任务开始依赖于另一个任务的结束时，第二个任务不能在第一个任务完成之前开始
• 数据访问同步
  当两个或多个任务访问共享变量时，在任意时间里，只有一个任务可以访问该变量

临界区（Critical Section）是代码的一个区间，它可以访问共享资源。如果两个线程同时执行就有可能出现问题，互斥量（Mutex）是用来保护临界区。
信号量（Semaphore）是一种更高级的同步机制，Mutex 可以说是 Semaphore 在仅取值0/1时的特例。Semaphore可以有更多的取值空间，用来实现更加复杂的同步，而不单单是线程间互斥。

如果共享的数据受到同步机制的保护，那么代码（方法、对象）就是线程安全的

不可变对象

不可变对象是一种非常特殊的对象。在其初始化后，不能修改其可视状态（其属性值）。如果想修改一个不可变对象，那就必须创建一个新的对象

不可变对象主要优点在于它是线程安全的。Java 中的 String 就是一个不可变对象。

共享内存和消息传递

任务可以通过两种不同的方式来互相通信。

• 共享内存
  通常用于在同一台计算机上运行多任务的情况。任务在读取和写入值的时候使用相同的内存区域。为了避免出现问题，对该共享内存的访问必须在一个由同步机制保护的临界段内完成
• 消息传递
  通常用于在不同计算机上运行多任务的情形。当一个任务需要与另一个任务通信时，它会发送一个遵循预定义协议的消息。如果发送方保持阻塞并等待响应，那么该通信就是同步的；如果发送方在发送消息后继续执行自己的流程，那么该通信就是异步的。

并发的问题

数据竞争

如果两个或多个任务在临界段之外对一个共享变量进行写入操作，也就是说没有任何同步机制，那么应用程序可能存在数据竞争（也叫竞争条件）

在这些情况下，应用程序的最终结果可能取决于任务的执行顺序

死锁

当两个（多个）任务正在等待必须由另一个线程释放的某个共享资源，而该线程又正在等待必须由前述任务之一释放的另一个共享资源时，并发应用程序就出现了死锁

活锁

如果系统中有两个任务，它们总是因对方的行为而改变自己的状态，那么就出现了活锁。最终结果是它们陷入了状态变更的循环而无法继续向下执行