【高并发】要想学好并发编程，关键是要理解这三个核心问题

2021-10-01 03:08:45

大家好，我是冰河~~

写【高并发专题】有一段时间了，一些读者朋友留言说，并发编程很难，学习了很多的知识，但是在实际工作中却无从下手。对于一个线上产生的并发问题，又不知产生这个问题的原因究竟是什么。对于并发编程，感觉上似乎是掌握了，但是真正用起来却不是那么回事！

其实，造成这种现象的本质原因就是没有透彻的理解并发编程的精髓，而学好并发编程的关键是需要弄懂三个核心问题：分工、同步和互斥。

分工

比较官方的解释为：分工就是将一个比较大的任务，拆分成多个大小合适的任务，交给合适的线程去完成，强调的是性能。

如果你还不能够理解什么是分工，这里，我们可以做一个假设。假设你是一个XXX上市公司的CEO，你的工作是如何管理好你的公司。但是，就如何管理好公司而言，涉及到的任务就比较多了，我们可以将其看做一个很大的任务，这个很大的任务，细看的话可以包括：人员招聘和管理、产品设计和开发、运营和推广、公司税务等等。那细化后这么多的任务交给你一个人去做，想必你一定是崩溃的。即使你能够挺住，估计你一个人把这所有的任务完成，那黄花菜也就凉了！到时，估计你就会偷偷的躲在角落里唱“凉凉”了。。。

所以，如果你真的想管理好你的公司，你就需要将这些任务分解，分工细化，将人员招聘和管理的任务交给人力资源部门去完成，将产品的设计交给设计部门去完成，将产品的开发交给开发部门去完成，将运营和推广交给运营和市场部门去完成，将公司税务交给财务部门去完成。此时，你的任务就是及时了解各个部门的工作情况，统筹并协调各部门的工作，并思考如何规划公司的未来。

其实，这里你将管理公司的任务拆解、细化分工之后，你会发现，其实各部门之间的工作是并行执行的。比如：人力资源部门在管理员工的绩效考核时，同时产品设计和开发部门正在设计和开发公司的产品，与此同时，公司的运营正在和设计与开发沟通如何更好的完善公司的产品，而推广部门正在加大力度宣传和推广公司的产品。而财务部门正在统计和计算公司的各种财务报表等。一切都是那么的有条不紊！

所以，安排合适的人去做合适的事情，在实际工作中是非常重要的。这映射到并发编程领域也是同样的道理。如果将所有的任务交给一个线程执行，就好比将公司的所有事情交给你一个人去做一样。等到把事情做完了，黄花菜也凉了。所以，在并发编程中，我们同样需要将任务进行拆解，分工给合适的线程去完成。

在并发编程领域，还需要注意一个问题就是：分工给合适的线程去做。 也就是说，应该主线程执行的任务不要交给子线程去做，否则，是解决不了问题的。这就好比一家公司的CEO将如何规划公司的未来交给一个产品开发人员去做一样，这不仅不能规划好公司的未来，甚至会与公司的价值观背道而驰。

在JavaSDK中的：Executor、Fork/Join和Future都是实现分工的一种方式。

同步

在并发编程中的同步，主要指的是一个线程执行完任务后，如何通知其他的线程继续执行，强调的是性能。

将任务拆分，并且合理的分工给了每个人，接下来就是如何同步每个人的任务了。

假设小明是一名前端开发人员，他渲染页面的数据需要等待小刚的接口完成，而小刚写接口又需要等待小李的服务开发完成。也就是说，任务之间是存在依赖关系的，前面的任务完成后，才能进行后面的任务。

对于实际工作中，这种任务的同步，大多数靠的是人与人之间的沟通，小李的服务写完了，告诉小刚，小刚则马上进行接口开发，等小刚的接口开发完成后，又告诉了小明，小明马上调用接口将返回的数据渲染在页面上。

这种同步机制映射到并发编程领域，就是一个线程的任务执行完毕之后，通知其他的后续线程执行任务。

对于这种线程之间的同步，我们可以使用下面的 if 伪代码来表示。

if(前面的任务完成){
    执行当前任务
}else{
    继续等待前面任务的执行
}

如果为了更能够及时的判断出前面的任务是否已经完成，我们也可以使用 while 伪代码来表示。

while(前面的任务未完成){
    继续等待前面任务的执行
}
执行当前任务

上述伪代码表示的意义是相同的：当线程执行的条件不满足时，线程需要继续等待，一旦条件满足，就需要唤醒等待的线程继续执行。

在并发编程领域，一个典型的场景就是生产者-消费者模型。当队列满时，生产者线程需要等待，队列不满时，需要唤醒生产者线程；当队列为空时，消费者线程需要等待，队列不空时，需要唤醒消费者。我们可以使用下面的伪代码来表示生产者-消费者模型。

生产者

while(队列已满){
    生产者线程等待
}
唤醒生产者

消费者

while(队列为空){
    消费者等待
}
唤醒消费者

在Java的SDK中，提供了一些实现线程之间同步的工具类，比如说：CountDownLatch、 CyclicBarrier 等。

互斥

同一时刻，只允许一个线程访问共享变量，强调的是线程执行任务的正确性。

在并发编程领域，分工和同步强调的是执行任务的性能，而线程之间的互斥则强调的是线程执行任务的正确性，也就是线程的安全问题。如果多个线程同时访问同一个共享变量，则可能会发生意想不到的后果，而这种意想不到的后果主要是由线程的可见性、原子性和有序性问题产生的。而解决可见性、原子性和有序性问题的核心，就是互斥。

关于互斥，我们可以用现实中的一个场景来描述：多个岔路口的车辆需要汇入一条道路中，而这条道路一次只能允许通过一辆车，此时，车辆就需要排队依次进入路口。

Java中提供的synchronized、Lock、ThreadLocal、final关键字等都可以解决互斥的问题。

例如，我们以synchronized为例来说明如何进行线程间的互斥，伪代码如下所示。

//修饰方法
public synchronized void xxx(){
    
}
//修饰代码块
public void xxx(){
    synchronized(obj){
        
    }
}
//修饰代码块
public void xxx(){
    synchronized(XXX.class){
        
    }
}
//修饰静态方法
public synchronized static void xxx(){
    
}

总结

并发编程旨在最大限度的利用计算机的资源，提高程序执行的性能，这需要线程之间的分工和同步来实现，在保证性能的同时，又需要保证线程的安全，这就又需要保证线程之间的互斥性。而并发编程的难点问题，往往又是由可见性、原子性和有序性问题导致的。所以，我们在学习并发编程时，一定要先弄懂线程之间的分工、同步和互斥。

最后，附上并发编程需要掌握的核心技能知识图，祝大家在学习并发编程时，少走弯路。

码农公寓

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