網易Java研發面試官眼中的Java併發——安全性、活躍性、效能
阿新 • • 發佈：2019-07-05
一. 安全性問題
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執行緒安全的本質是正確性，而正確性的含義是程式按照預期執行
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理論上執行緒安全的程式，應該要避免出現可見性問題（CPU快取）、原子性問題（執行緒切換）和有序性問題（編譯優化）
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需要分析是否存線上程安全問題的場景：存在共享資料且資料會發生變化，即有多個執行緒會同時讀寫同一個資料
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針對該理論的解決方案：不共享資料，採用執行緒本地儲存（Thread Local Storage，TLS）；不變模式
Ⅰ. 資料競爭
資料競爭（Data Race）：多個執行緒同時訪問同一資料，並且至少有一個執行緒會寫這個資料
1. add
private static final int MAX_COUNT = 1_000_000; private long count = 0; // 非執行緒安全 public void add() { int index = 0; while (++index < MAX_COUNT) { count += 1; } }
2. add + synchronized
private static final int MAX_COUNT = 1_000_000; private long count = 0; public synchronized long getCount() { return count; } public synchronized void setCount(long count) { this.count = count; } // 非執行緒安全 public void add() { int index = 0; while (++index < MAX_COUNT) { setCount(getCount() + 1); } }
- 假設count=0，當兩個執行緒同時執行getCount()，都會返回0
- 兩個執行緒執行getCount()+1，結果都是1，最終寫入記憶體是1，不符合預期，這種情況為竟態條件
Ⅱ. 竟態條件
- 竟態條件（Race Condition）：程式的執行結果依賴於執行緒執行的順序
- 在併發環境裡，執行緒的執行順序是不確定的
- 如果程式存在竟態條件問題，那麼意味著程式的執行結果是不確定的
1. 轉賬
public class Account { private int balance; // 非執行緒安全，存在竟態條件，可能會超額轉出 public void transfer(Account target, int amt) { if (balance > amt) { balance -= amt; target.balance += amt; } } }
Ⅲ. 解決方案
面對資料競爭和竟態條件問題，可以通過互斥的方案來實現執行緒安全，互斥的方案可以統一歸為鎖
二. 活躍性問題
活躍性問題：某個操作無法執行下去，包括三種情況：死鎖、活鎖、飢餓
Ⅰ. 死鎖
- 發生死鎖後執行緒會相互等待，表現為執行緒永久阻塞
- 解決死鎖問題的方法是規避死鎖（破壞發生死鎖的條件之一）
- 互斥：不可破壞，鎖定目的就是為了互斥
- 佔有且等待：一次性申請所有需要的資源
- 不可搶佔：當執行緒持有資源A，並嘗試持有資源B時失敗，執行緒主動釋放資源A
- 迴圈等待：將資源編號排序，執行緒申請資源時按遞增（或遞減）的順序申請
Ⅱ. 活鎖
- 活鎖：執行緒並沒有發生阻塞，但由於相互謙讓，而導致執行不下去
- 解決方案：在謙讓時，嘗試等待一個隨機時間（分散式一致演算法Raft也有采用）
Ⅲ. 飢餓
- 飢餓：執行緒因無法訪問所需資源而無法執行下去
- 執行緒的優先順序是不相同的，在CPU繁忙的情況下，優先順序低的執行緒得到執行的機會很少，可能發生執行緒飢餓
- 持有鎖的執行緒，如果執行的時間過長（持有的資源不釋放），也有可能導致飢餓問題
- 解決方案
- 保證資源充足
- 公平地分配資源（公平鎖） – 比較可行
- 避免持有鎖的執行緒長時間執行
三. 效能問題
- 鎖的過度使用可能會導致序列化的範圍過大，這會影響多執行緒優勢的發揮（併發程式的目的就是為了提升效能）
- 儘量減少序列，假設序列百分比為5%，那麼多核多執行緒相對於單核單執行緒的提升公式（Amdahl定律） S=1/((1-p)+p/n)，n為CPU核數，p為並行百分比，(1-p)為序列百分比
- 假如p=95%，n無窮大，加速比S的極限為20，即無論採用什麼技術，最高只能提高20倍的效能
Ⅰ. 解決方案
- 無鎖演算法和資料結構
- 執行緒本地儲存（Thread Local Storage，TLS）
- 寫入時複製（Copy-on-write）
- 樂觀鎖
- JUC中的原子類
- Disruptor（無鎖的記憶體佇列）
- 減少鎖持有的時間，互斥鎖的本質是將並行的程式序列化，要增加並行度，一定要減少持有鎖的時間
- 使用細粒度鎖，例如JUC中的ConcurrentHashMap（分段鎖）
- 使用讀寫鎖，即讀是無鎖的，只有寫才會互斥的
Ⅱ. 效能指標
- 吞吐量：在單位時間內能處理的請求數量，吞吐量越高，說明效能越好
- 延遲：從發出請求到收到響應的時間，延遲越小，說明效能越好
- 併發量：能同時處理的請求數量，一般來說隨著併發量的增加，延遲也會增加，所以延遲一般是基於併發量來說的
寫在最後
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