一. 安全性问题
- 线程安全的本质是正确性，而正确性的含义是程序按照预期执行
- 理论上线程安全的程序，应该要避免出现可见性问题(CPU缓存)、原子性问题(线程切换)和有序性问题(编译优化)
- 需要分析是否存在线程安全问题的场景：存在共享数据且数据会发生变化，即有多个线程会同时读写同一个数据
- 针对该理论的解决方案：不共享数据，采用线程本地存储(Thread Local Storage，TLS)；不变模式
Ⅰ. 数据竞争
数据竞争(Data Race)：多个线程同时访问同一数据，并且至少有一个线程会写这个数据
1. add
private static final int MAX_COUNT = 1_000_000;private long count = 0;// 非线程安全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;}// 非线程安全public void add() { int index = 0; while (++index < MAX_COUNT) { setCount(getCount() + 1); }}- 假设count=0，当两个线程同时执行getCount()，都会返回0
- 两个线程执行getCount()+1，结果都是1，最终写入内存是1，不符合预期，这种情况为竟态条件
Ⅱ. 竟态条件
- 竟态条件(Race Condition)：程序的执行结果依赖于线程执行的顺序
- 在并发环境里，线程的执行顺序是不确定的
- 如果程序存在竟态条件问题，那么意味着程序的执行结果是不确定的
1. 转账
public class Account { private int balance; // 非线程安全，存在竟态条件，可能会超额转出 public void transfer(Account target, int amt) { if (balance > amt) { balance -= amt; target.balance += amt; } }}Ⅲ. 解决方案
面对数据竞争和竟态条件问题，可以通过互斥的方案来实现线程安全，互斥的方案可以统一归为锁
二. 活跃性问题
活跃性问题：某个操作无法执行下去，包括三种情况：死锁、活锁、饥饿
Ⅰ. 死锁
- 发生死锁后线程会相互等待，表现为线程永久阻塞
- 解决死锁问题的方法是规避死锁(破坏发生死锁的条件之一)
- 互斥：不可破坏，锁定目的就是为了互斥
- 占有且等待：一次性申请所有需要的资源
- 不可抢占：当线程持有资源A，并尝试持有资源B时失败，线程主动释放资源A
- 循环等待：将资源编号排序，线程申请资源时按递增(或递减)的顺序申请
Ⅱ. 活锁
- 活锁：线程并没有发生阻塞，但由于相互谦让，而导致执行不下去
- 解决方案：在谦让时，尝试等待一个随机时间(分布式一致算法Raft也有采用)
Ⅲ. 饥饿
- 饥饿：线程因无法访问所需资源而无法执行下去
- 线程的优先级是不相同的，在CPU繁忙的情况下，优先级低的线程得到执行的机会很少，可能发生线程饥饿
- 持有锁的线程，如果执行的时间过长(持有的资源不释放)，也有可能导致饥饿问题
- 解决方案
- 保证资源充足
- 公平地分配资源(公平锁) – 比较可行
- 避免持有锁的线程长时间执行
三. 性能问题
- 锁的过度使用可能会导致串行化的范围过大，这会影响多线程优势的发挥(并发程序的目的就是为了提升性能)
- 尽量减少串行，假设串行百分比为5%，那么多核多线程相对于单核单线程的提升公式(Amdahl定律)
- S=1/((1-p)+p/n)，n为CPU核数，p为并行百分比，(1-p)为串行百分比
- 假如p=95%，n无穷大，加速比S的极限为20，即无论采用什么技术，最高只能提高20倍的性能
Ⅰ. 解决方案
- 无锁算法和数据结构
- 线程本地存储(Thread Local Storage，TLS)
- 写入时复制(Copy-on-write)
- 乐观锁
- JUC中的原子类
- Disruptor(无锁的内存队列)
- 减少锁持有的时间，互斥锁的本质是将并行的程序串行化，要增加并行度，一定要减少持有锁的时间
- 使用细粒度锁，例如JUC中的ConcurrentHashMap(分段锁)
- 使用读写锁，即读是无锁的，只有写才会互斥的
Ⅱ. 性能指标
- 吞吐量：在单位时间内能处理的请求数量，吞吐量越高，说明性能越好
- 延迟：从发出请求到收到响应的时间，延迟越小，说明性能越好
- 并发量：能同时处理的请求数量，一般来说随着并发量的增加，延迟也会增加，所以延迟一般是基于并发量来说的
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