Java高并发编程（一）：并发编程的挑战

1.简介

并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是，并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地运行，在并发编程的时候还需要面对一些众多的挑战。在进行并发编程的时候，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快、会面临非常多的挑战。比如上下文的切换的问题、死锁的问题、以及所限制与硬件和软件环境的问题。

1.1 上下文切换

即使是单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。
上下文切换就是指CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是在切换的时候回保存上一个任务的状态，以便下一次切换回这个任务的时候，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到加载过程称为上下文切换。
解决上下文切换带来的开销：
1. 无锁并发编程：用多线程再处理数据的时候，可以通过尽量避免使用锁，防止多线程竞争锁的时候，引起的上下文切换。
2. CAS算法：硬件同步原语，Java的Atomic包下使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
3. 使用最少线程。避免创建不必要的线程，比如任务很少，但是你创建了大量的没有必要的线程。可以利用使用最少的线程来减少线程之间上下文切换的开销。
4. 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务之间的切换

1.2 死锁

锁是一个用来防止多线程之间资源访问数据竞争的问题。锁是一个非常常用的工具，使用的场景也非常多，但是它也会带来一些问题，那就是可能造成死锁问题，一旦发生死锁问题，就会造成系统功能不可用。
解决避免死锁带来的开销问题：
1. 避免一个线程获得多个锁。
2. 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
3. 尝试使用定时锁，使用tryLock（timeout）来替代使用内部的锁机制。

1.3 资源限制

资源限制就是指在进行并发编程的时候，程序的执行速度受限制于计算机硬件资源或者软件资源。例如，服务器的带宽是2MB/s，某个资源的下载速度是1MB/s，这个时候你启动10个线程去下载资源，下载速度也不会达到10MB/s。资源限制可能会引发很多问题，比如说因为资源受到限制，仍然线性地运行，这个时候程序不仅不会加快执行，反而会更加缓慢，因为增加了上下文的切换时间和资源的调度的时间。
解决资源限制的问题：
1.对于硬件资源的限制，可以使用集群来并行地执行程序。
2.对于软件资源的限制，可以考虑使用线程池来讲资源复用来使用。