第1章

并发编程的挑战

并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是，并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发编程时，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，比如上下文切换的问题、死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，本章会介绍几种并发编程的挑战以及解决方案。

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）。

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，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文字典，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

1.1.1　多线程一定快吗

下面的代码演示串行和并发执行并累加操作的时间，请分析：下面的代码并发执行一定比串行执行快吗？

public class ConcurrencyTest {

        private static f?inal long count = 10000l;

        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

                concurrency();

                serial();

        }

        private static void concurrency() throws InterruptedException {

                long start = System.currentTimeMillis();

                Thread thread = new Thread(new Runnable() {

                        @Override

                        public void run() {

                                int a = 0;

                                for (long i = 0; i < count; i++) {

                                        a += 5;

                                }

                        }

                });

                thread.start();

                int b = 0;

                for (long i = 0; i < count; i++) {

                        b--;

                }

                long time = System.currentTimeMillis() - start;

                thread.join();

                System.out.println("concurrency :" + time+"ms,b="+b);

        }

        private static void serial() {

                long start = System.currentTimeMillis();

                int a = 0;

                for (long i = 0; i < count; i++) {

                        a += 5;

                }

                int b = 0;

                for (long i = 0; i < count; i++) {

                        b--;

                }

                long time = System.currentTimeMillis() - start;

                System.out.println("serial:" + time+"ms,b="+b+",a="+a);

        }

}

上述问题的答案是“不一定”，测试结果如表1-1所示。

表1-1　测试结果

从表1-1可以发现，当并发执行累加操作不超过百万次时，速度会比串行执行累加操作要慢。那么，为什么并发执行的速度会比串行慢呢？这是因为线程有创建和上下文切换的开销。