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Java中的多線程一定就快嗎?

瀏覽：88日期：2022-08-25 11:05:53

并發編程與多線程編程

要了解并發編程，首先要懂得與并行這個概念進行區分。并行是指兩個事件同時進行，并發是CPU切換速度快，看起來像是每個任務同時進行一樣。多線程是實現并發編程的一種方式，假設一個場景，在廣州地鐵高峰時段，一群人涌進地鐵里，在不同的閘機口刷卡進去。在這個場景里，進地鐵就是任務，每個人可以看出是并發的，而多個刷卡閘機口就是多線程。

并發編程的本質目的是為了充分利用CPU，讓程序運行得更快。然而，并不是啟動更多的線程就能讓程序最大限度地并發執行。在進行并發編程時，如果希望通過多線程執行任務讓程序運行得更快，會面臨非常多的挑戰。比如上下文切換的問題、死鎖的問題，以及受限于硬件和軟件的資源限制問題，下面就來嘮嗑嘮嗑這些因素。

上下文切換

原理分析

正如上面所言，并發與并行最大的區別就是，并發只是看起來像是并行。實際上是，CPU通過給每個線程分配時間來執行這個線程的程序，只是這個時間非常短，通常是幾十毫秒，我們根本無法觀察到變化，感覺它們都是同時執行的一樣。

CPU通過時間片分配算法來循環執行任務，當前任務執行一個時間片后會切換到下一個任務。但是，在切換前會保存上一個任務的狀態，以便下次切換回這個任務時，可以再加載這個任務的狀態。所以任務從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。因此，不難得知，上下文切換需要耗費不少時間。

再來假設一個場景，一個人去火車站買票，買票的窗口有十來個那么多。買票的人并不知道哪個窗口可以買到票，只能挨個地問，最后終于在最后一個窗口買到了。這個場景，看似買票的過程很長，其實大部分時間都在切換窗口上，這也就是上下文切換的問題所在。因此，并非線程數多就一定執行得快，要選擇與任務相適應的線程數才是最佳方案。

測試代碼

package Concurrency;/** * @author RuiMing Lin * @date 2020-03-28 12:19 */public class Demo1 { public static void main(String[] args) { System.out.println('萬級循環：'); concurrency(10000); serial(10000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('十萬級循環：'); concurrency(100000); serial(100000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('百萬級循環：'); concurrency(1000000); serial(1000000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('千萬級循環：'); concurrency(10000000); serial(10000000); System.out.println('--------------------------華麗分隔符--------------------------------'); System.out.println('億級循環：'); concurrency(100000000); serial(100000000); } private static void concurrency(long count){ // 開啟三個線程執行三個循環 long start = System.currentTimeMillis(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int a = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { a++;} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int b = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { b++;} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {int c = 0;for (long i = 0; i < count; i++) { c++;} } }).start(); long end = System.currentTimeMillis(); long time = end - start; System.out.println('并行執行花費時間為：' + time + 'ms'); } private static void serial(long count){ // 三個循環順序執行 long start = System.currentTimeMillis(); int a = 0; int b = 0; int c = 0; for (int i = 0; i < count; i++) { a++; } for (int i = 0; i < count; i++) { b++; } for (int i = 0; i < count; i++) { c++; } long end = System.currentTimeMillis(); long time = end - start; System.out.println('串行執行花費時間為：' + time + 'ms'); }}

結果輸出：

萬級循環：并行執行花費時間為：4ms 串行執行花費時間為：1ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

十萬級循環：并行執行花費時間為：1ms 串行執行花費時間為：4ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

百萬級循環：并行執行花費時間為：1ms 串行執行花費時間為：10ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

千萬級循環：并行執行花費時間為：1ms 串行執行花費時間為：36ms

--------------------------華麗分隔符--------------------------------

億級循環：并行執行花費時間為：1ms 串行執行花費時間為：357ms

分析結果：

當數量級在萬級時，串行是比并發要快的，當數量級來到十萬以后，串行便顯得力不從心了。所以，可以認為當程序執行量不夠大時，是沒必要開啟多線程的。

如何減少上下文切換

減少上下文切換的方法有無鎖并發編程、CAS算法、使用最少線程和使用協程。

無鎖并發編程。多線程競爭鎖時，會引起上下文切換，所以多線程處理數據時，可以用一些辦法來避免使用鎖，如將數據的ID按照Hash算法取模分段，不同的線程處理不同段的數據。 CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來更新數據，而不需要加鎖。使用最少線程。避免創建不需要的線程，比如任務很少，但是創建了很多線程來處理，這樣會造成大量線程都處于等待狀態。協程：在單線程里實現多任務的調度，并在單線程里維持多個任務間的切換。

死鎖

原理分析

死鎖，是指多個線程在運行過程中因爭奪相同資源而造成的一種僵局，當進程處于這種僵持狀態時，它們都將無法再向前推進，此時程序就處于癱瘓狀態，無法執行。通常情況下，是多個線程共同競爭同一把鎖對象，而其中一個線程獲得鎖之后發生異常等未來得及釋放鎖，導致其它線程一直在等待，無法運行。

測試代碼

package Concurrency;/** * @author RuiMing Lin * @date 2020-03-28 13:14 */public class Demo2 { private static String str1 = 'A'; private static String str2 = 'B'; public static void main(String[] args) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {synchronized (str1){ System.out.println('第一個線程獲得str1'); try { Thread.currentThread().sleep(2000); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } synchronized (str2){ System.out.println('第一個線程獲得str2'); }} } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {synchronized (str2){ System.out.println('第二個線程獲得str2'); try { Thread.currentThread().sleep(2000); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } synchronized (str1){ System.out.println('第二個線程獲得str1'); }} } }).start(); }}