Java并发编程艺术系列-一、并发编程问题与解决

一、并发编程问题与解决

• 上下文切换
• 死锁
• 资源限制

1.1 上下文切换

1.1.1 问题

• CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务一个时间片执行完后会切换到下一个 任务，要保存上一个任务的状态，有一定的开销
• 多线程不一定快 - 因为上下文切换的开销

1.1.2 解决

• 无锁并发编程：根据id将数据hash分配到不同线程来避免使用锁
• CAS算法：自旋锁（注意：自旋CPU消耗大）
• 最少线程：避免创建不需要的线程，线程越多，上下文就多，等待线程也多，切换也频繁
• 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。

1.1.3 解决实战

• 工具

  • 使用Lmbench3[1]可以测量上下文切换的时长。

  • 使用vmstat可以测量上下文切换的次数。

  • 下面是利用vmstat测量上下文切换次数的示例。

    $ vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu----- 
    r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 
    0 0 0 127876 398928 2297092 0 0 0 4 2 2 0 0 99 0 0 
    0 0 0 127868 398928 2297092 0 0 0 0 595 1171 0 1 99 0 0 
    0 0 0 127868 398928 2297092 0 0 0 0 590 1180 1 0 100 0 0 
    0 0 0 127868 398928 2297092 0 0 0 0 567 1135 0 1 99 0 0
    

    CS（Content Switch）表示上下文切换的次数，从上面的测试结果中我们可以看到，上下文每1秒切换1000多次。

• 1.jstack命令dump线程信息

  jstack 35031 > dump31
  

• 2.统计线程状态

  grep java.lang.Thread.State dump31 | awk '{print $2$3$4$5}' | sort | uniq -c
  39 RUNNABLE 
  21 TIMED_WAITING(onobjectmonitor) 
  6 TIMED_WAITING(parking) 
  51 TIMED_WAITING(sleeping) 
  305 WAITING(onobjectmonitor) 
  3 WAITING(parking)
  

• 3.打开dump文件查看WAITING(onobjectmonitor)发现是jboss线程，接收任务太少，大量线程闲着waitting

• 4.配置jboss使用较少线程

• 5.重新统计发现waitting少了，waitting线程少了，上下文切换就少，因为每一次从 WAITTING到RUNNABLE都会进行一次上下文的切换。可以使用vmstat命令验证一下

1.2 死锁

1.2.1 问题

• 线程t1和线程t2互相等待对方释放锁。

1.2.2 解决

• dump线程查看出现问题的线程 java.lang.Thread.State: BLOCKED

• 避免一个线程同时获取多个锁。

• 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。

• 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock（timeout）来替代使用内部锁机制。

• 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。

1.3 资源限制

1.3.1 问题

• 硬件资源限制：网络带宽、硬盘读写、CPU处理速度
• 软件资源限制：连接数(数据库，socket)
• 受限于资源，多线程程序依然在串行执行，因为增加了切换上下文和资源调度的开销，反而效率更低

1.3.1 解决

• 硬件资源：多机部署解决
• 软件资源：连接池、io多路复用
• 根据资源限制调整并发配置。