并行的几个基本概念

  • 并行主要的应用:

    1. 图像处理
    2. 服务器端程序
  • 同步和异步:
    同步方法:调用一旦开始,调用者必须等到方法调用返回后,才能继续后续的行为。
    异步方法:调用一旦开始,方法调用就会立即返回,调用者可以继续后续操作,异步方法通常会在另一个线程中执行。

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  • 并发和并行:
    并发:可以表示两个或多个任务一起执行,偏重于多个任务交替执行,而多个任务之间还有可能是串行的。
    并行:同样也可以表示两个或多个任务一起执行,偏重于多个任务同时执行。
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  • 临界区:
    临界区表示一种公共资源或者说数据共享,可以被多个线程使用,但是每一次,只能有一个线程去使用它,一旦临界区资源被占用,其他线程要想使用这个资源就必须等待。

  • 阻塞和非阻塞:
    阻塞(悲观策略:系统认为两个线程之间很有可能发生冲突,保护共享数据的第一优先级):比如一个线程占用了临界区资源,其他所有需要这个资源的线程就必须在这个临界区等待。等待会导致线程挂起,这种情况就是阻塞。若果占用资源的线程一直不释放资源,其他所有阻塞在这个临界区上的线程都不能工作。
    非阻塞(乐观策略:系统认为线程之间很有可能不会发生冲突,或者说概率不大,因此都无障碍执行,但是一旦检测到冲突,就应该进行回滚):强调没有一个线程可以妨碍其他线程执行,所有线程都会尝试不断前行。

  • 死锁、饥饿和活锁:
    死锁、饥饿和活锁属于多线程活跃性问题,出现了这些情况,相关线程可能不在活跃,就是他可能很难再继续往下执行。

    死锁:指线程之间相互占用资源,如果都不释放,程序则无法继续往下执行。
    饥饿:指某一个或者多个线程因为种种原因无法获得所需要的资源,导致一直无法执行(例如该线程优先级太低),与死锁相比,饥饿在未来一段时间还是有可能解决的。
    活锁:指两个线程之间主动释放资源给其他人使用,导致资源不断在两个线程间跳动,而没有一个线程可以同时拿到所有资源正常执行。

  • 并发级别:
    由于临界区的存在,多线程之间的并发必须受到控制,把并发的级别分为阻塞、无饥饿、无障碍、无锁、无等待。

    1. 阻塞,一个线程是阻塞的,在其他线程释放资源之前,当前线程无法执行,可使用synchronized关键字或者重入锁得到的就是阻塞线程
    2. 无饥饿,主要为非公平锁和公平锁,对于非公平锁,系统允许高优先级的线程插队,可能会产生饥饿;若锁是公平的,不管线程优先级多高,获取资源时都得排队,所有线程都有机会执行。
    3. 无障碍,是一种最弱的非阻塞调度,对于无障碍的线程来说,若同时修改共享时,它就会立即对自己所作的修改进行回滚,确保数据安全。可能会出现所有线程都不断回滚自己的操作,导致没有一个线程走出临界区,影响系统正常执行。可以依赖一个"一致性标记"来实现,操作前和操作后都读取这个标记是否被更改过,如果不一致,则说明资源在操作时与其他线程冲突,需要重试操作。任何对资源修改操作的线程,再修改前,都要更新这个标记,表示数据不安全。
    4. 无锁,所有线程都能尝试对临界区进行访问,无锁的并发保证必有一个线程能够在有限步内完成操作离开临界区。
    5. 无等待,在无锁的基础上,要求所有线程都必须在有限步内完成,这样就不会引起饥饿问题。
  • 并行的两个重要定律:

    1. Amdahl定律:使用多核CPU对系统进行优化,优化效果取决于CPU的数量,以及系统中的串行程序比例。CPU数量越多,串行比例越低,则优化效果越好。
    2. Gustafson定律:如果串行化比例很小,并行化比例很大,只要不断累加处理器,就能获得更快的速度。
  • JMM:

    1. 原子性:指一个操作是不可中断的,即使在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其它线程干扰。(例如,在32位的系统中,由于long型数据的读写不是原子性的,读写long类型的数据时就会出现相互干扰)
    2. 可见性:指当一个线程修改了某一个共享变量的值时,其他线程是否能够立即知道这个修改。
    3. 有序性:程序在执行时,可能会进行指令重排,重排后的指令与原指令的顺序未必一致。
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