[读书笔记] 代码整洁之道（七）: 并发编程

第十三章 并发编程

1. 为什么要并发

   并发是一种解耦策略。它帮我们把做什么(目的)和何时(时机)做分解。一般的单线程应用中，目的与时机紧密耦合，很多时候查看堆栈信息就能断定应用程序的状态。
   
   解耦目的与时机能明显地改进应用程序的吞吐量和结构。
   
   迷思和误解：

   • 并发总能改变性能(X): 但只是在多个线程或处理器之间能分享大量等待时间的时候管用。
   • 编写并发程序无需修改设计(X)：目的与时机的解耦往往对系统结构产生巨大影响。
   • 在采用Web或者EJB容器的时候，理解并发问题并不重要(X)：最好了解容器在做什么，以及怎么解决并发更新、死锁等问题。

   一些中肯的说法：

   • 并发会在性能和编写额外代码上增加一些开销；
   • 正确的并发是复杂的，即便对于简单的问题也是如此；
   • 并发缺陷并非总能重现，所以常被看做偶发事件而忽略；
   • 并发常常需要对设计策略的根本性修改；

2. 并发防御原则和技巧

   1） 单一权责原则SRP：认为方法、类、组件应当只有一个修改的理由。然而并发设计有时会相当复杂，以至于修改代码，所以建议分离并发相关代码与其他生产代码。
   
   2） 推论：限制数据作用域：如果两个线程修改共享对象的同一个字段时，可能会互相干扰，导致未预期的行为。建议采用synchronized关键字在代码中保护一块使用共享对象的临界区。同时要谨记数据封装：严格限制对可能被共享的数据的访问。
   

   3. 推论：使用数据复本：避免数据共享的好方法之一就是一开始就避免共享数据。
      
      4） 推论：线程应尽可能的独立：每个线程都不与其他线程共享数据。每个线程处理一个客户端请求,从不共享的源头接纳所有请求数据，存储为本地变量。建议尝试将数据分解到可被独立线程(可能在不同处理器上)操作的独立子集。

3. 了解Java库

   使用Java 5以上版本编写线程时要注意：
   
   1） 使用类库提供的线程安全群集
   
   2） 使用executor框架执行无关任务
   
   3） 尽可能使用非锁解决方案
   
   4） 有几个类并不是线程安全的
   
   对于线程安全集群，需要掌握java.util.concurrent、java.util.concurrent.atomic、java.util.concurrent.locks等

4. 了解执行模型

   一些基础定义：
   

   • 限定资源：并发环境中有着固定尺寸或数量的资源。比如数据库连接和固定尺寸读/写缓存等。
   • 互斥：每一时刻仅有一个线程能访问共享数据或共享资源。
   • 线程饥饿：一个或一组线程在很长时间内或永久被禁止。例如总让执行的快的线程先运行，加入执行的快的线程没完没了，则执行时间长的线程就会饥饿。
   • 死锁：两个或多个线程互相等待执行结束。每个线程都拥有其他线程需要的资源，得不到其他线程拥有的资源，就无法终止。
   • 活锁：执行次序一致的线程，每个都想要起步，但发现其他线程已经在路上。由于竞步的原因，线程会持续尝试起步，但在很长时间内都无法如愿，甚至永远无法启动。

   1） 生产者-消费者模型：一个或多个生产者线程创建某些工作，并置于缓存或队列中。一个或多个消费者线程从队列中获取并完成这些工作。生产者和消费者之间的队列是一种限定资源。
   
   2） 读者-作者模型：当存在一个主要为读者线程提供信息，但只是偶尔被作者线程更新的共享资源，吞吐量就会是问题。增加吞吐量，会导致线程饥饿或过时信息的积累。更新会影响吞吐量。
   
   3） 宴席哲学家：这种竞争式的问题会遭遇死锁、活锁、吞吐量、和效率降低等问题。
   
   建议学习及研究这些基础算法，理解解决方案。

5. 警惕同步方法之间的依赖

   Java的synchronized可以保护单个方法，但是如果在同一个共享类中有多个同步方法，系统就可能出错：
   
   建议：避免使用一个共享对象的多个方法。
   
   但有时必须使用一个共享对象的多个方法，可以使用一下3种手段：
   
   1）基于客户端的锁定：客户端代码在调用第一个方法时，锁定服务器端，确保锁的范围覆盖了调用最后一个方法的代码。
   
   2）基于服务端的锁定：在服务端内创建锁定服务端的方法，调用所有方法，然后解锁，让客户端代码调用新方法。
   
   3）适配服务端：创建执行锁定的中间层。这是一种基于服务器端的锁定的例子，但不修改原始服务端的代码。
   

6. 保持同步区域微小

   锁的代价很昂贵，一个锁维护的代码区域在任一时刻都只有一个线程执行，带来了延迟和额外开销。建议尽可能的减小同步区域。

7. 很难编写正确的关闭代码

   尽可能考虑关闭问题，今早令其工作正常。

8. 测试线程代码

   当两个线程或多个线程使用同一段代码和共享数据，测试就比较复杂。
   
   建议：编写有潜力暴露问题的测试，在不同的编程配置、系统配置和负载条件下频繁运行。
   
   精炼建议:
   

   • 将伪失败看做可能的线程问题：千万不能将系统错误归咎于偶发事件。
   • 先使非线程代码可工作：确保代码在线程之外可工作。
   • 编写可拔插的线程代码
   • 编写可调整的线程代码
   • 运行多于处理器数量的线程：任务交换越频繁，越有可能找到错过临界区或导致死锁的代码。
   • 在不同平台上运行
   • 调整代码并强迫错误发生：通过wait()、sleep()、yield()、priority()等调用。