并發系列的文章都是根據閱讀《Java 并發編程的藝術》這本書總結而來，想更深入學習的同學可以自行購買此書進行學習。
并發編程的目的是為了讓程序運行的更快，但是啟動更多的線程不一定會讓程序能夠最大程度的并發執行，甚至有時候，并發比串行還要慢。在使用并發編程的時候，會面臨許多挑戰。
上下文切換
單核處理器也是可以支持多線程執行代碼的。CPU通過分配時間片來實現這個機制。時間片是 CPU 分配給各個線程的時間，因為時間片很短，所以 CPU 會通過不斷切換線程執行，讓我們感覺多個線程是同時執行的。
每次時間片切換之前都會保存上一個任務的狀態，用來方便下次切換回這個任務的時候，可以再次加載這個任務的狀態。這個保存到加載的過程就是一次上下文切換。
這樣的切換是會影響多線程的執行效率的。想象我們看一本英文書籍，如果遇到單詞不認識，我們會去查閱詞典，但是在查閱之前，我們得先記住我們看到那一頁了，以便等到查到單詞后還能繼續在之前看的位置讀下去。雖然這樣能夠保證閱讀的連貫性，但閱讀的速度必然是受到影響的。
多線程并發執行不一定比串行執行快。測試發現，串行和并行做同一件循環操作，在一定達到循環次數之前，并發是沒有串行速度快的。這正是因為線程的創建以及上下文切換有開銷的緣故。
通過一些工具我們可以度量上下文帶來的消耗：
- 使用 Lmbench3 可以測量上下文切換的時長
- 使用 vmstat 可以測量上下文切換的次數
那么如何減少上下文的切換呢？
- 無鎖并發編程。多線程競爭鎖時，會引起上下文切換，所以可以用一線方法來避免使用鎖。例如將數據的 ID 按 Hash 算法取模分段，不同的線程處理不同段的數據。
- CAS 算法。Java 的 Atomic 包使用 CAS 算法來更新數據，不需要加鎖
- 使用最少線程：避免創建不必要的線程，如果創建了很多多余的線程，將會造成大量的線程處于等待狀態。
- 協程：在單線程里實現多任務的調度，并在單線程里維持多個任務間切換。
死鎖
鎖是個非常有用的工具，使用也很簡單易懂，但可能會引起死鎖，從而導致系統不可用。在一些復雜的場景中，可能會遇到死鎖問題，比如線程 t1 拿到鎖之后，因為一些異常情況沒有釋放鎖（例如死循環）。又或者是 t1 拿到了一個數據庫鎖，釋放鎖的時候拋出了異常，沒有釋放掉。
一旦出現死鎖，業務是可以感知的，因為無法繼續提供服務了，我們可以通過 dump 現場來查看哪個線程除了問題，并根據日志信息進行跟蹤代碼。
常見的幾個避免死鎖的方法：
- 避免一個線程同時獲取多個鎖
- 避免一個線程在鎖內占用多個資源，盡量保證每個鎖只占用一個資源。
- 嘗試使用定時鎖，使用
lock.tryLock(timeout)來替代使用內部鎖機制。 - 數據庫鎖的加鎖解鎖必須在一個數據庫連接里，否則會出現解鎖失敗的情況。
資源限制的挑戰
資源限制可以分為計算機硬件資源和軟件資源。
硬件資源限制有寬帶速度、硬盤讀寫速度和 CPU 處理速度。如果寬帶速度只有 2Mb/s，某個資源下載速度是 1Mb/s，但系統即使啟動了 10 個線程下載資源，下載速度也不會編程 10Mb/s。
軟件資源限制有數據庫的連接數和 socket 連接等。
因為資源限制的原因，會導致有時候并發執行的任務因為資源不足，甚至還沒有串行執行速度快。比如因為開了多線程導致了一些資源的請求，但資源又不夠用，就會導致一些資源調度和上下文切換的開銷。
對于硬件資源限制，可以使用集群并行執行程序。對于軟件資源，可以考慮使用資源池將資源復用。在資源限制的情況下，要根據不同的資源限制調整程序的并發度。例如有數據庫操作時，設計數據庫連接數，如果 SQL 語句執行的非?？欤€程的數量要比數據庫連接數大很多，那么某些線程將會被阻塞，等待數據庫連接。
總結
并發編程有很多挑戰，如果并發程序寫的不嚴謹，出現了問題，定位和解決起來都比較棘手和耗時。所以對于 Java 開發工程師而言，建議多使用 JDK 并發包提供的并發容器和工具類來解決并發問題，這些類已經通過了充分的測試和優化，以上問題都是可以解決的。
