一. 安全性問題

線程安全的本質是正確性，而正確性的含義是程序按照預期執行

理論上線程安全的程序，應該要避免出現可見性問題(CPU緩存)、原子性問題(線程切換)和有序性問題(編譯優化)

需要分析是否存在線程安全問題的場景：存在共享數據且數據會發生變化，即有多個線程會同時讀寫同一個數據

針對該理論的解決方案：不共享數據，采用線程本地存儲(Thread Local Storage，TLS)；不變模式

Ⅰ. 數據競爭

數據競爭(Data Race)：多個線程同時訪問同一數據，并且至少有一個線程會寫這個數據

1. add

private static final int MAX_COUNT = 1_000_000;private long count = 0;// 非線程安全public void add() { int index = 0; while (++index < MAX_COUNT) { count += 1; }}

2. add + synchronized

private static final int MAX_COUNT = 1_000_000;private long count = 0;public synchronized long getCount() { return count;}public synchronized void setCount(long count) { this.count = count;}// 非線程安全public void add() { int index = 0; while (++index < MAX_COUNT) { setCount(getCount() + 1); }}

• 假設count=0，當兩個線程同時執行getCount()，都會返回0
• 兩個線程執行getCount()+1，結果都是1，最終寫入內存是1，不符合預期，這種情況為竟態條件

Ⅱ. 竟態條件

竟態條件(Race Condition)：程序的執行結果依賴于線程執行的順序

在并發環境里，線程的執行順序是不確定的

• 如果程序存在竟態條件問題，那么意味著程序的執行結果是不確定的

1. 轉賬

public class Account { private int balance; // 非線程安全，存在竟態條件，可能會超額轉出 public void transfer(Account target, int amt) { if (balance > amt) { balance -= amt; target.balance += amt; } }}

Ⅲ. 解決方案

面對數據競爭和竟態條件問題，可以通過互斥的方案來實現線程安全，互斥的方案可以統一歸為鎖

二. 活躍性問題

活躍性問題：某個操作無法執行下去，包括三種情況：死鎖、活鎖、饑餓

Ⅰ. 死鎖

發生死鎖后線程會相互等待，表現為線程永久阻塞

解決死鎖問題的方法是規避死鎖(破壞發生死鎖的條件之一)

• 互斥：不可破壞，鎖定目的就是為了互斥
• 占有且等待：一次性申請所有需要的資源
• 不可搶占：當線程持有資源A，并嘗試持有資源B時失敗，線程主動釋放資源A
• 循環等待：將資源編號排序，線程申請資源時按遞增(或遞減)的順序申請

Ⅱ. 活鎖

• 活鎖：線程并沒有發生阻塞，但由于相互謙讓，而導致執行不下去
• 解決方案：在謙讓時，嘗試等待一個隨機時間(分布式一致算法Raft也有采用)

Ⅲ. 饑餓

饑餓：線程因無法訪問所需資源而無法執行下去

• 線程的優先級是不相同的，在CPU繁忙的情況下，優先級低的線程得到執行的機會很少，可能發生線程饑餓
• 持有鎖的線程，如果執行的時間過長(持有的資源不釋放)，也有可能導致饑餓問題

解決方案

• 保證資源充足
• 公平地分配資源(公平鎖) – 比較可行
• 避免持有鎖的線程長時間執行

三. 性能問題

鎖的過度使用可能會導致串行化的范圍過大，這會影響多線程優勢的發揮(并發程序的目的就是為了提升性能)

盡量減少串行，假設串行百分比為5%，那么多核多線程相對于單核單線程的提升公式(Amdahl定律)

S=1/((1-p)+p/n)，n為CPU核數，p為并行百分比，(1-p)為串行百分比

• 假如p=95%，n無窮大，加速比S的極限為20，即無論采用什么技術，最高只能提高20倍的性能

Ⅰ. 解決方案

無鎖算法和數據結構

• 線程本地存儲(Thread Local Storage，TLS)
• 寫入時復制(Copy-on-write)
• 樂觀鎖
• JUC中的原子類
• Disruptor(無鎖的內存隊列)

減少鎖持有的時間，互斥鎖的本質是將并行的程序串行化，要增加并行度，一定要減少持有鎖的時間

• 使用細粒度鎖，例如JUC中的ConcurrentHashMap(分段鎖)
• 使用讀寫鎖，即讀是無鎖的，只有寫才會互斥的

Ⅱ. 性能指標

吞吐量：在單位時間內能處理的請求數量，吞吐量越高，說明性能越好

延遲：從發出請求到收到響應的時間，延遲越小，說明性能越好

并發量：能同時處理的請求數量，一般來說隨著并發量的增加，延遲也會增加，所以延遲一般是基于并發量來說的

寫在最后

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總結

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