安全性、活跃性以及性能问题

• 并发编程中我们需要注意的问题有很多，很庆幸前人已经帮我们总结过了，主要有三个方面，分别是：安全性问题、活跃性问题和性能问题。

安全性问题

• 那什么是线程安全呢？其实本质上就是正确性，而正确性的含义就是程序按照我们期望的执行，不要让我们感到意外。
• 存在共享数据并且该数据会发生变化，通俗地讲就是有多个线程会同时读写同一数据。
  • 那如果能够做到不共享数据或者数据状态不发生变化，不就能够保证线程的安全性了。
  • 有不少技术方案都是基于这个理论的，例如线程本地存储（Thread Local Storage，TLS）、不变模式等等。
• 当多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程会写这个数据的时候，如果我们不采取防护措施，那么就会导致并发 Bug，对此还有一个专业的术语，叫做数据竞争（Data Race）。
• 所谓竞态条件，指的是程序的执行结果依赖线程执行的顺序。
• 那面对数据竞争和竞态条件问题，该如何保证线程的安全性呢？
  • 其实这两类问题，都可以用互斥这个技术方案，而实现互斥的方案有很多，CPU 提供了相关的互斥指令，操作系统、编程语言也会提供相关的 API。
  • 从逻辑上来看，我们可以统一归为：锁。

活跃性问题

• 所谓活跃性问题，指的是某个操作无法执行下去。
  • 我们常见的“死锁”就是⼀种典型的活跃性问题，当然除了死锁外，还有两种情况，分别是“活锁”和“饥饿”。
  • 有时线程虽然没有发生阻塞，但仍然会存在执行不下去的情况，这就是所谓的“活锁”。
    • 解决“活锁”的方案很简单，尝试等待一个随机的时间就可以了。
  • 所谓“饥饿”指的是线程因无法访问所需资源而无法执行下去的情况。
    • 解决“饥饿”问题的方案很简单，有三种方案：一是保证资源充足，二是公平地分配资源，三就是避免持有锁的线程长时间执行。
    • 在并发编程里，主要是使用公平锁。
    • 所谓公平锁，是一种先来后到的方案，线程的等待是有顺序的，排在等待队列前面的线程会优先获得资源。

性能问题

• “锁”的过度使用可能导致串行化的范围过大，这样就不能够发挥多线程的优势了，而我们之所以使用多线程搞并发程
  序，为的就是提升性能。
• Java SDK 并发包里之所以有那么多东西，有很大一部分原因就是要提升在某个特定领域的性能。
  • 第一，既然使用锁会带来性能问题，那最好的方案自然就是使用无锁的算法和数据结构了。
    • 在这这方有很多相关的技术，例如线程本地存储 (Thread Local Storage, TLS)、写入时复制 (Copy-on-write)、乐观锁等；
    • Java 并发包里面的原子类也是一种无锁的数据结构；
    • Disruptor 则是一个无锁的内存队列，性能都非常好。
  • 第二，减少锁持有的时间。
    • 互斥锁本质上是将并行的程序串行化，所以要增加并行度，⼀定要减少持有锁的时间。
    • 这个方案具体的实现技术也有很多，例如使用细粒度的锁，一个典型的例子就是 Java 并发包里的 ConcurrentHashMap，它使用了所谓分段锁的技术；
    • 还可以使用读写锁，也就是读是无锁的，只有写的时候才会互斥。