Part 1 思考人生的多執行緒

我們一直在說高併發、多執行緒、分散式應用，但是高併發情況下，多執行緒一定就快嗎？

我們首先要理解下併發執行是怎麼一回事。

為什麼一般意義上來說多執行緒就能抵抗高併發，執行速度就能得到提升？

所謂併發執行就是某個時間段CPU能執行多個任務。

例如早上起來後，刷牙、照鏡子、思考這復讀機一般的人生是為哪般？

但是我們真的能同時做這麼多事嗎？

不是的，其實是在大腦下達指令後，刷牙、照鏡子這種動作已經形成了肌肉記憶、固定動作，然後我們又有了幾分鐘思考人生的時光了。

同樣的道理放在計算上也是一樣。

我們首先要明白一個基礎知識，計算機的主要元件為CPU、記憶體、磁碟；而在這三大元件中，CPU的執行速率高於記憶體1000倍以上，記憶體的執行速率高於磁碟1000倍以上。

當然，這只是我的口嗨，並不是真的1000倍。

你只要知道他們的執行速率對比，CPU > 記憶體 > 磁碟就好了，並且要快很多。

Part 2 應付多個嬰兒的哺乳媽媽

2.1 上下文切換

多執行緒執行就像是很多個嬰兒跟媽媽要奶喝一樣，怎麼辦？媽媽就兩個哺乳器官啊？最多就同時處理兩個嬰兒同時肚子餓的任務。

這已經是雙核CPU了。實際上，媽媽只能同時處理一個嬰兒哺乳的任務而已，沒辦法同時把兩個孩子抱在懷裡。你以為是母豬可以同時喂很多小豬呢？

所以只好讓嬰兒先喝點，抵抵飽，哄一鬨，然後換另外的孩子。

這就是CPU的【上下文切換】。

2.2 執行緒爭用

而很多時候，我們需要執行的任務並不是一樣的。

還是以嬰兒為例，嬰兒們同時大哭，要求佔用媽媽的時間，ABC嬰兒要換尿布、DEF嬰兒要喝奶。

怎麼辦？頭大。

這就是【執行緒爭用】。

2.3 併發執行

媽媽要開始安撫孩子了，但是隻能一個個來啊，要麼先找幾個奶瓶衝奶讓要喝奶的自己抱奶瓶喝奶，再去處理換尿布。

要麼先去處理尿布，再去衝奶。

衝奶這個動作很快，但是喝奶的時間很長。媽媽考慮了下，決定先衝奶，然後讓他們自己抱奶瓶。

這就是【併發執行】。

2.4 自旋鎖

但是衝奶的時候，嬰兒還在哭，等待著媽媽送來奶瓶和換尿布怎麼辦？

這就是【自旋鎖】。如果CPU一直不處理任務，就迴圈等待，直到CPU來處理。

2.5 互斥鎖

如果媽媽衝奶時，抱了一個嬰兒在懷裡哄著不哭，其他的嬰兒們沒指望了，就不哭了（當然，實際上不可能），等著媽媽空出手來又繼續哭，競爭媽媽的懷抱（笑）。

這就叫【互斥鎖】。它跟自旋鎖類似，不同的是競爭不到鎖的執行緒會回去睡會覺，等到鎖可用再來競爭。競爭失敗者繼續回去睡覺直到再次接到通知。

2.6 樂觀鎖

如果DEF拿到了奶瓶就不哭了，直到一瓶奶喝完還是喝不飽，才開始哭，要媽媽。這叫【樂觀鎖】。

樂觀鎖在資料庫的資料操作中，就是提交更新那一刻，才給相關資料行加鎖。

2.7 悲觀鎖

如果DEF拿到了奶瓶還是哭，因為他們還需要媽媽抱著喝才行。這叫【悲觀鎖】。

悲觀鎖就是如果一個事務操作用了鎖，那只有當這個事務把鎖釋放（把媽媽給釋放），其他事務才能夠執行與該鎖衝突的操作。

2.8 時間片分配演算法

我們觀察以上的故事，可以發現它們並不是同時執行的。

而CPU相比媽媽來說，它的執行速度就更快了，它通過給每個執行緒分配CPU時間來實現任務執行，這個時間片一般是幾十毫秒。

這樣不停地來回切換任務，執行程式，劃分時間片，就叫做【時間片分配演算法】。

2.9 執行緒與程序

上面說的是一個哺育室的故事，以JAVA而言，這就是一個【程序】。

如果媽媽還管著另一個哺育室，就又是一個程序。

一個哺育室有很多嬰兒，嬰兒們也可以認為是一個個執行緒。

所以【一個程序可以包含多個執行緒】。

而嬰兒們又享受著哺育室的公共環境與玩具。這就是【記憶體環境共享】。

在Java應用中，每個執行緒都是執行在程序的上下文中，共享【同樣的程式碼和全域性資料】。

如果其中一個哺育室的裝修風格、哺育規則變了，也不會影響到另一個哺育室。

所以在多程序環境中，任何一個程序的終止，都不會影響到其他程序。

所以在單核CPU時代，我們在一臺電腦上也可以同時聽歌、寫作，可以一邊看電影、一邊論壇灌水【多程序】，而一個論壇裡又可以有多個使用者同時灌水【多執行緒】。

part 3 多執行緒一定比單執行緒跑得快嗎？

回到最初的話題。

面試官：

如果有很多工，每個任務需要CPU處理的時間都很長，佔用的時間片很高，那麼，多執行緒還能快嗎？

如果任務很少的情況下又是怎麼樣呢？

例如只有兩個嬰兒，來回換著哺乳快還是一個個餵飽來得快呢？

什麼情況下適合使用多執行緒呢？

除了CPU、記憶體、磁碟，還有什麼能影響併發執行的速度呢？

如果你是面試者，怎麼回答呢？留言給我說說看你的看法。

如果你對我上面的解釋並不滿意，有著不同的看法，也歡迎來噴一噴。

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