java并发编程.md · CTL/VipNote

## 一、并发与并发编程的含义

### 并发和并行的区别

**并发**：并发是指两个或多个事件在同一时间间隔发生。（一个人给两个孩子喂饭，同时段交替执行）
**并行**：并行是指两个或者多个事件在同一时刻发生。（两个人给两个孩子喂饭，同时刻执行）

### 1.1 并发

定义：指系统中存在多个独立活动（任务、线程、进程等）同时执行。并且这些活动之间可能相互影响、交互或者竞争共享资源。

当我们谈到并发时，你可以把它想象成手头同时有多个任务需要做。没错，就是你一次可能需要同时处理多个任务一样。（这里的"同时"指的是同一时间段内）

举个例子，假如你是一名外卖小哥，你的工作就是把外卖送到客户手中。在某个时段，你手里可能有多个订单一起送。那么这就是并发，你同时处理了多个任务（送外卖）。

### 1.2 并发编程

定义：并发编程指编写能够有效利用系统资源、处理多个并发任务的程序。

在送外卖的过程中，你得考虑一些问题，比如，这些外卖地址天南海北都有，怎么安排路线更省事？如果两个订单超时时间有冲突怎么办？如果客户手机打不通怎么办？这些都是并发编程需要解决的问题。（当然，相关外卖app已经都解决了，这里只是假设😁）

解决：我们可以用一些技巧和工具。比如，用地图规划最佳路线，避免走冤枉路。有冲突就跟客户或商家协调沟通，看看能不能晚点送达。手机打不通可以先送其它单，长时间联系不到就退给商家。那么这些技巧和工具就相当于Java中的锁、同步机制和线程通信。

所以通过并发编程，可以更高效的完成多个任务，提高工作效率。

## 二、为什么需要并发编程

最大的原因当然还是为了提高效率。假如外卖员不用并发的形式送外卖，那么将变成：如果一家店n个不同地方的人点了n份外卖，外卖小哥就得一个一个送，也就是送完一单，就得返回餐厅再取一单送给另一个客户，如此反复，那这效率真是嘎嘎低。。。所以还是并发比较好。

> 另外，在打算使用并发编程之前，也需要考虑资源限制、死锁、线程上下文切换等带来的一系列问题。例如做菜，大致顺序就是洗菜、切菜、炒菜，总不能洗一下切一下，或者炒一下洗一下吧。这是个串行的任务，得依据特定得顺序去执行。

## 三、线程与进程

### 3.1 什么是线程和进程

进程：操作系统中资源分配的基本单位。之间相互独立，不能直接访问对方的资源。每个进程可以包含一个或多个线程。
线程：操作系统中调度执行的基本单位。同一个进程中的多个线程共享相同的地址空间和内存，可以直接访问进程的资源。
咱接着说外卖小哥送外卖的例子。假如外卖小哥一下接了3单外卖分别送给A、B、C三个客户，规划好路线后就开始去送，那么“三单外卖的配送”就可以看作是一个进程，而你的不同任务（送给A、送给B、送给C）可以看作是不同的线程。是不是有点迷糊？那就再细点：

进程：就是外卖小哥送这3单外卖的过程。外卖小哥有自己的工作空间（使用的设备），资源（外卖小哥的交通工具、保温箱）等，独自完成这三单的配送。
线程：就是把外卖送给A、B、C客户的三个不同任务。这三个任务分别代表不同的线程。这些线程共享工作空间（使用的设备）和资源（外卖小哥的交通工具、保温箱），它们可以同时进行，相互之间协作完成这次配送的任务。
要是只有一个线程呢？（也就是不用并发），就是上面提到的，那外卖小哥一次就只能接一单，送完一单返回餐厅取下一单。。。

总结起来就是，进程是完成一个整体任务的过程，线程则是在这个过程中执行的不同任务。

### 3.2 两者之间的区别与联系

其实3.1或多或少都提了几点，下面就总结一下吧。

#### 3.2.1 区别

资源分配：每个进程都有自己的地址空间、内存、文件句柄和其他系统资源，而线程共享相同的地址空间和内存，能够直接访问进程的资源。

创建和销毁开销：创建和销毁进程的开销通常比线程大，因为进程需要分配独立的资源和环境。而线程的创建和销毁的开销相对较小，因为它们共享进程的资源。

通信和同步：线程之间共享进程的资源，因此它们可以更方便地进行通信和共享数据。进程之间的通信和同步需要使用特殊的机制，如管道、消息队列或共享内存。

#### 3.2.2 联系

协作关系：进程是一个独立的执行实体，可以包含一个或多个线程。线程是进程中的执行单元，协同工作，共同完成进程的任务。

并发执行：进程和线程都能实现并发执行。多个进程可以在同一时间内执行不同的任务，多个线程可以在同一进程中并发执行不同的子任务。

并行执行：由于进程和线程具有并发执行的特性，它们都可以并行执行任务，充分利用系统资源来提高效率。

四、并发编程的优势和挑战

### 4.1 优势

最大的优势就是可以让程序运行的更快（外卖小哥一次处理多笔订单）、提高用户的体验（只要下单就给你响应）、充分利用资源（看外卖小哥一次最多送几个了，毕竟按单给钱）。这个大家应该都能想到，所以下面重点说一说挑战。

### 4.2 挑战

并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，那就得面临很多挑战，比如线程上下文切换的问题、死锁的问题，还有就是硬件和软件的资源限制问题等。

#### 4.2.1 线程上下文切换

概念：上下文切换是指CPU从一个线程到另一个线程时，需要保存当前线程的上下文状态（包括计数器、寄存器、栈指针等），恢复另一个线程的上下文状态，以便下一次恢复执行该线程时能够正确地运行。

例如：就好比外卖小哥在送外卖的时候，找不着订单上面的地址了，于是向路人问道，但问之前呢，外卖小哥得记住这个地址写的哪哪哪，等问到路之后，才能继续送这笔订单。

看起来确实很降效率。以下是减少上下文切换的几种解决办法：

减少线程数：可以通过合理的线程池管理来减少线程的创建和销毁，线程数少，上下文切换的次数自然也就少了。（修建外卖柜，方圆xx公里的外卖都存到外卖柜里，客户自己来取）
无锁并发编程：可以避免线程因等待锁进入阻塞状态，从而减少上下文切换次数。(有锁状态：为了安全考虑，某小区同时只能让一位外卖小哥进去，那外卖小哥之间就出现了竞争，自然也会发生“上下文切换”。)
使用CAS算法：CAS算法可以避免线程的阻塞和唤醒操作，减少上下文切换次数。（cas：还是上面的那个小区，也有安全考虑，但不限制人数，只要核验一下身份证，符合了就放你进去。）
协程（JDK 19的虚拟线程）：协程是一种用户态线程，切换操作不需要操作系统参与，所以可以避免上下文切换。(emm...这个等搞清楚了再补充吧。)

#### 4.2.2 死锁

定义：指两个或多个进程（或线程）由于竞争共享资源而相互等待对方释放资源，导致所有相关任务都无法继续执行下去的一种状态。简单的说就是线程1持有A，想要B，线程2持有B，想要A，谁也不松手，导致其他任务都无法进行。

例如：丈母娘要求先买房再结婚，但女婿说先结婚再买房。

产生死锁的4个必要条件

互斥条件：资源只能被一个进程（或线程）占用。
占有且等待：进程（或线程）已经占有了至少一个资源，并且等待其他资源被释放时继续请求额外的资源。
不可剥夺：已经被一个进程（或线程）占有的资源，只能由占有者主动释放，不可强行剥夺。
循环等待：存在A等B，B等C，C等A情况，形成了一个闭环。
解决办法：想要解决就不让它们四个同时发生就行

破坏不可剥夺：设置优先级，优先级高的可以抢夺资源
破坏循环等待：这是最常用的方法。如事务1执行顺序：A->B->C，事务2：C->D->A，这种情况就可能导致死锁，即事务1占有A，等待C，而事务2占有C等待A。所以，要避免死锁就需要把事务2改为：A->D->C。
4.2.3 资源限制
在并发编程中，既存在硬件资源限制，也存在软件资源限制。

硬件：硬件资源通常与物理硬件相关，如CPU的核心数、内存容量、存储空间、网络带宽等。例如，CPU核心数影响着系统的处理能力；内存容量影响着同时处理大规模数据集的能力。
软件：这涉及对计算机系统内的软件资源限制，例如，操作系统对进程、线程数量进行限制，这就可能导致程序无法创建出更多的进程或线程。
那么这两种限制怎么解决呢？

对于硬件资源限制，可以考虑使用集群并行执行程序。既然单机的资源有限制，那么就让程序在多机上运行。比如使用ODPS、Hadoop或者自己搭建服务器集群，不同的及其处理不同的数据。
对于软件资源限制，比如使用连接池管理数据库连接、限制并发连接数控制并发访问、合理使用缓存和异步处理模式等等。

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