Java併發 -- 安全性、活躍性、效能

1. 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
2. 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）
3. 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
4. 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

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

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;
}
}

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);
}
}

1. 假設count=0，當兩個執行緒同時執行getCount()，都會返回0
2. 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

竟態條件

1. 竟態條件（Race Condition ）：程式的執行結果依賴於 執行緒執行的順序
2. 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

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;
}
}
}

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

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

死鎖

1. 發生死鎖後執行緒會相互等待 ，表現為執行緒 永久阻塞
2. 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

活鎖

1. 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
2. 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）

飢餓

1. 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
2. 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

效能問題

1. 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 ）
2. 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）
   • $S = \frac{1}{(1-p)+\frac{p}{n}}$，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

解決方案

1. 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）
2. 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

效能指標

1. 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
2. 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
3. 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