并發(fā)編程的三大核心問題

并發(fā)編程并不是一項孤立存在的技術(shù)，也不是脫離現(xiàn)實生活場景而提出的一項技術(shù)。

相反，并發(fā)編程是一項綜合性的技術(shù)，同時，它與現(xiàn)實生活中 的場景有著緊密的聯(lián)系。

并發(fā)編程有三大核心問題：

本文就對這三大核心問題進行簡單的介紹。 

關(guān)于分工，比較官方的解釋是：一個比較大的任務(wù)被拆分成多個大小合適的任務(wù)，這些大小合適的任務(wù)被交給合適的線程去執(zhí)行。

分工強調(diào)的是執(zhí)行的性能。 

可以類比現(xiàn)實生活中的場景來理解分工，例如，如果你是一家上市公司的 CEO，那么，你的主要工作就是規(guī)劃公司的戰(zhàn)略方向和管理好公司。就如何管理好公司而言，涉及的任務(wù)就比較多了。

這里，可以將管理好公司看作一個很大的任務(wù)，這個很大的任務(wù)可以包括人員招聘與管理、 產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品運營、產(chǎn)品推廣、稅務(wù)統(tǒng)計和計算等。如果將這些工作任務(wù)都交給 CEO一個人去做，那么估計 CEO 會被累趴下的。CEO一人做完公司所有日常工作如圖1所示。 

圖1 CEO 一人做完公司所有日常工作 

如圖1 所示，公司 CEO 一個人做完公司所有日常工作是一種非常不可取的方式，這將導(dǎo)致公司無法正常經(jīng)營，那么應(yīng)該如何做呢？ 

有一種很好的方式是分解公司的日常工作，將人員招聘與管理工作交給人力資源部，將產(chǎn) 品設(shè)計工作交給設(shè)計部，將產(chǎn)品開發(fā)工作交給研發(fā)部，將產(chǎn)品運營和產(chǎn)品推廣工作分別交給運 營部和市場部，將公司的稅務(wù)統(tǒng)計和計算工作交給財務(wù)部。 

這樣，CEO 的重點工作就變成了及時了解各部門的工作情況，統(tǒng)籌并協(xié)調(diào)各部門的工作， 并思考如何規(guī)劃公司的戰(zhàn)略。

公司分工后的日常工作如圖2所示。

圖2 公司分工后的日常工作 

將公司的日常工作分工后，可以發(fā)現(xiàn)，各部門之間的工作是可以并行推進的。例如，在人力資源部進行員工的績效考核時，設(shè)計部和研發(fā)部正在設(shè)計和開發(fā)公司的產(chǎn)品，與此同時，公司的運營人員正在和設(shè)計人員與研發(fā)人員溝通如何更好地完善公司的產(chǎn)品，而市場部正在加大力度宣傳和推廣公司的產(chǎn)品，財務(wù)部正在統(tǒng)計和計算公司的各種財務(wù)報表等。一切都是那么有條不紊。

所以，在現(xiàn)實生活中，安排合適的人去做合適的事情是非常重要的。映射到并發(fā)編程領(lǐng)域 也是同樣的道理。

在并發(fā)編程中，同樣需要將一個大的任務(wù)拆分成若干比較小的任務(wù)，并將這些小任務(wù)交給 不同的線程去執(zhí)行，如圖3所示。

圖3 將一個大的任務(wù)拆分成若干比較小的任務(wù)

在并發(fā)編程中，由于多個線程可以并發(fā)執(zhí)行，所以在一定程度上能夠提高任務(wù)的執(zhí)行效率。

在并發(fā)編程領(lǐng)域，還需要注意一個問題就是：將任務(wù)分給合適的線程去做。也就是說，該由主線程執(zhí)行的任務(wù)不要交給子線程去做，否則，是解決不了問題的。

這就好比一家公司的 CEO 將規(guī)劃公司未來的工作交給一位產(chǎn)品開發(fā)人員一樣，不僅不能規(guī)劃好公司的未來，甚至會與公司的價值觀背道而馳。

在 Java 中，線程池、Fork/Join 框架和 Future 接口都是實現(xiàn)分工的方式。在多線程設(shè)計模式中，Guarded Suspension 模式、Thread-Per-Message 模式、生產(chǎn)者—消費者模式、兩階段終止模式、Worker-Thread 模式和 Balking 模式都是分工問題的實現(xiàn)方式。

在并發(fā)編程中，同步指一個線程執(zhí)行完自己的任務(wù)后，以何種方式來通知其他的線程繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，也可以將其理解為線程之間的協(xié)作，同步強調(diào)的是執(zhí)行的性能。

可以在現(xiàn)實生活中找到與并發(fā)編程中的同步問題相似的案例。

例如，張三、李四和王五共同開發(fā)一個項目，張三是一名前端開發(fā)人員，他需要等待李四的開發(fā)接口任務(wù)完成再開始渲染 頁面，而李四又需要等待王五的服務(wù)開發(fā)工作完成再寫接口。

也就是說，任務(wù)之間是存在依賴關(guān)系的，前面的任務(wù)完成后，才能執(zhí)行后面的任務(wù)。

在現(xiàn)實生活中，這種任務(wù)的同步，更多的是靠人與人之間的交流和溝通來實現(xiàn)的。例如，王五的服務(wù)開發(fā)任務(wù)完成了，告訴李四，李四馬上開始執(zhí)行開發(fā)接口任務(wù)。等李四的接口開發(fā)完成后，再告訴張三，張三馬上調(diào)用李四開發(fā)的接口將返回的數(shù)據(jù)渲染到頁面上。現(xiàn)實生活中 的同步模型如圖4所示。

圖4 現(xiàn)實生活中的同步模型

由圖4可以看出，在現(xiàn)實生活中，張三、李四和王五的任務(wù)之間是有依賴關(guān)系的，張三渲染頁面的任務(wù)依賴李四開發(fā)接口的任務(wù)完成，李四開發(fā)接口的任務(wù)依賴王五開發(fā)服務(wù)的任務(wù)完成。

在并發(fā)編程領(lǐng)域，同步機制指一個線程的任務(wù)執(zhí)行完成后，通知其他線程繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)的方式，并發(fā)編程同步簡易模型如圖5所示。

圖5 并發(fā)編程同步簡易模型

由圖5可以看出，在并發(fā)編程中，多個線程之間的任務(wù)是有依賴關(guān)系的。

線程 A 需要阻塞等待線程 B 執(zhí)行完任務(wù)才能開始執(zhí)行任務(wù)，線程 B 需要阻塞等待線程 C 執(zhí)行完任務(wù)才能開始執(zhí)行任務(wù)。線程 C 執(zhí)行完任務(wù)會喚醒線程 B 繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，線程 B 執(zhí)行完任務(wù)會喚醒線程 A 繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

這種線程之間的同步機制，可以使用如下的 if 偽代碼來表示。

if(依賴的任務(wù)完成){  執(zhí)行當前任務(wù) }else{  繼續(xù)等待依賴任務(wù)的執(zhí)行 } 

上述 if 偽代碼所代表的含義是：當依賴的任務(wù)完成時，執(zhí)行當前任務(wù)，否則，繼續(xù)等待依 賴任務(wù)的執(zhí)行。

在實際場景中，往往需要及時判斷出依賴的任務(wù)是否已經(jīng)完成，這時就可以使用 while 循 環(huán)來代替 if 判斷， while 偽代碼如下。

while(依賴的任務(wù)未完成){  繼續(xù)等待依賴任務(wù)的執(zhí)行 }  執(zhí)行當前任務(wù)

上述 while 偽代碼所代表的含義是：如果依賴的任務(wù)未完成，則一直等待，直到依賴的任務(wù)完成，才執(zhí)行當前任務(wù)。

在并發(fā)編程領(lǐng)域，同步機制有一個非常經(jīng)典的模型——生產(chǎn)者—消費者模型。如果隊列已滿，則生產(chǎn)者線程需要等待，如果隊列不滿，則需要喚醒生產(chǎn)者線程；如果隊列為空，則消費者線程需要等待，如果隊列不為空，則需要喚醒消費者。

可以使用下面的偽代碼來表示生產(chǎn)者—消費者模型。 

while(隊列已滿){  生產(chǎn)者線程等待 }  喚醒生產(chǎn)者

while(隊列為空){  消費者等待 }  喚醒消費者

在Java 中，Semaphore、Lock、synchronized.、CountDownLatch、CyclicBarrier、Exchanger 和 Phaser 等工具類或框架實現(xiàn)了同步機制。

在并發(fā)編程中，互斥問題一般指在同一時刻只允許一個線程訪問臨界區(qū)的共享資源?；コ鈴娬{(diào)的是多個線程執(zhí)行任務(wù)時的正確性。

互斥問題在現(xiàn)實中的一個典型場景就是交叉路口的多輛車匯入一個單行道，如圖6所示。

圖6 交叉路口的多輛車匯入一個單行道 

從圖6 可以看出，當多輛車經(jīng)過交叉路口匯入同一個單行道時，由于單行道的入口只能容納一輛車通過，所以其他的車輛需要等待前面的車輛通過單行道入口后，再依次有序通過單行道入口。這就是現(xiàn)實生活中的互斥場景。

在并發(fā)編程中，分工和同步強調(diào)的是任務(wù)的執(zhí)行性能，而互斥強調(diào)的則是執(zhí)行任務(wù)的正確性，也就是線程的安全問題。

如果在并發(fā)編程中，多個線程同時進入臨界區(qū)訪問同一個共享變量，則可能產(chǎn)生線程安全問題，這是由線程的原子性、可見性和有序性問題導(dǎo)致的。

而在并發(fā)編程中解決原子性、可見性和有序性問題的核心方案就是線程之間的互斥。

例如，可以使用JVM中提供的synchronized鎖來實現(xiàn)多個線程之間的互斥，使用synchronized鎖的偽代碼如下。 

public synchronized void methodName(){   //省略具體方法 }

public void methodName(){   synchronized(this){      //省略具體方法   }} 
public void methodName(){   synchronized(obj){      //省略具體方法     }  } 
public void methodName(){   synchronized(ClassName.class){      //省略具體方法   }  }

public synchronized static void staticMethodName(){   //省略具體方法 }

除了 synchronized 鎖，Java 還提供了 ThreadLocal、CAS、原子類和以CopyOnWrite 開頭的并發(fā)容器類、Lock 鎖及讀/寫鎖等，它們都實現(xiàn)了線程的互斥機制。 

本文節(jié)選自《深入理解高并發(fā)編程：核心原理與案例實戰(zhàn)》，主要介紹了并發(fā)編程中的三大核心問題：分工、同步和互斥，并列舉了現(xiàn)實生活中的場景進行類比，以便讀者理解這三大核心問題。歡迎閱讀此書了解更多關(guān)于并發(fā)編程的內(nèi)容。

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