Java中的多线程一定就快吗?

并发编程与多线程编程

要了解并发编程，首先要懂得与并行这个概念进行区分。并行是指两个事件同时进行，并发是CPU切换速度快，看起来像是每个任务同时进行一样。多线程是实现并发编程的一种方式，假设一个场景，在广州地铁高峰时段，一群人涌进地铁里，在不同的闸机口刷卡进去。在这个场景里，进地铁就是任务，每个人可以看出是并发的，而多个刷卡闸机口就是多线程。

  并发编程的本质目的是为了充分利用CPU，让程序运行得更快。然而，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，下面就来唠嗑唠嗑这些因素。

上下文切换

原理分析

正如上面所言，并发与并行最大的区别就是，并发只是看起来像是并行。实际上是，CPU通过给每个线程分配时间来执行这个线程的程序，只是这个时间非常短，通常是几十毫秒，我们根本无法观察到变化，感觉它们都是同时执行的一样。

  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。因此，不难得知，上下文切换需要耗费不少时间。

  再来假设一个场景，一个人去火车站买票，买票的窗口有十来个那么多。买票的人并不知道哪个窗口可以买到票，只能挨个地问，最后终于在最后一个窗口买到了。这个场景，看似买票的过程很长，其实大部分时间都在切换窗口上，这也就是上下文切换的问题所在。因此，并非线程数多就一定执行得快，要选择与任务相适应的线程数才是最佳方案。

测试代码

package Concurrency;

/**
 * @author RuiMing Lin
 * @date 2020-03-28 12:19
 */
public class Demo1 {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("万级循环：");
    concurrency(10000);
    serial(10000);
    System.out.println("--------------------------华丽分隔符--------------------------------");
    System.out.println("十万级循环：");
    concurrency(100000);
    serial(100000);
    System.out.println("--------------------------华丽分隔符--------------------------------");
    System.out.println("百万级循环：");
    concurrency(1000000);
    serial(1000000);
    System.out.println("--------------------------华丽分隔符--------------------------------");
    System.out.println("千万级循环：");
    concurrency(10000000);
    serial(10000000);
    System.out.println("--------------------------华丽分隔符--------------------------------");
    System.out.println("亿级循环：");
    concurrency(100000000);
    serial(100000000);
  }

  private static void concurrency(long count){
    // 开启三个线程执行三个循环
    long start = System.currentTimeMillis();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          a++;
        }
      }
    }).start();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          b++;
        }
      }
    }).start();
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        int c = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
          c++;
        }
      }
    }).start();
    long end = System.currentTimeMillis();
    long time = end - start;
    System.out.println("并行执行花费时间为：" + time + "ms");
  }

  private static void serial(long count){
    // 三个循环顺序执行
    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    int b = 0;
    int c = 0;
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      a++;
    }
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      b++;
    }
    for (int i = 0; i < count; i++) {
      c++;
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    long time = end - start;
    System.out.println("串行执行花费时间为：" + time + "ms");
  }
}

结果输出：

万级循环： 并行执行花费时间为：4ms 串行执行花费时间为：1ms

--------------------------华丽分隔符--------------------------------

十万级循环： 并行执行花费时间为：1ms 串行执行花费时间为：4ms

--------------------------华丽分隔符--------------------------------

百万级循环： 并行执行花费时间为：1ms 串行执行花费时间为：10ms

--------------------------华丽分隔符--------------------------------

千万级循环： 并行执行花费时间为：1ms 串行执行花费时间为：36ms

--------------------------华丽分隔符--------------------------------

亿级循环： 并行执行花费时间为：1ms 串行执行花费时间为：357ms

分析结果：

当数量级在万级时，串行是比并发要快的，当数量级来到十万以后，串行便显得力不从心了。所以，可以认为当程序执行量不够大时，是没必要开启多线程的。

如何减少上下文切换

减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

1. 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
2. CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。
3. 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态。
4. 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换。

死锁

原理分析

 死锁，是指多个线程在运行过程中因争夺相同资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，它们都将无法再向前推进，此时程序就处于瘫痪状态，无法执行。 通常情况下，是多个线程共同竞争同一把锁对象，而其中一个线程获得锁之后发生异常等未来得及释放锁，导致其它线程一直在等待，无法运行。

测试代码

package Concurrency;

/**
 * @author RuiMing Lin
 * @date 2020-03-28 13:14
 */
public class Demo2 {
  private static String str1 = "A";
  private static String str2 = "B";

  public static void main(String[] args) {
    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        synchronized (str1){
          System.out.println("第一个线程获得str1");
          try {
            Thread.currentThread().sleep(2000);
          }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
          }
          synchronized (str2){
            System.out.println("第一个线程获得str2");
          }
        }
      }
    }).start();

    new Thread(new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        synchronized (str2){
          System.out.println("第二个线程获得str2");
          try {
            Thread.currentThread().sleep(2000);
          }catch (InterruptedException e){
            e.printStackTrace();
          }
          synchronized (str1){
            System.out.println("第二个线程获得str1");
          }
        }
      }
    }).start();
  }
}

结果输出：

如何解决死锁

1. 避免一个线程同时获取多个锁。
2. 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。
3. 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。
4. 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况。

总结

并发程序并不是简单的程序，编写的时候应该严谨一些。复杂的代码容易引起死锁，因此，建议多使用JDK并发包提供的并发容器和工具类来解决并发问题。同时，也要注重新能上的问题，既要考虑到程序执行任务量，也要考虑CPU性能等等，不要一昧地增加线程数。

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