并发系列的文章都是根据阅读《Java 并发编程的艺术》这本书总结而来，想更深入学习的同学可以自行购买此书进行学习。
并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是启动更多的线程不一定会让程序能够最大程度的并发执行，甚至有时候，并发比串行还要慢。在使用并发编程的时候，会面临许多挑战。
上下文切换
单核处理器也是可以支持多线程执行代码的。CPU通过分配时间片来实现这个机制。时间片是 CPU 分配给各个线程的时间，因为时间片很短，所以 CPU 会通过不断切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的。
每次时间片切换之前都会保存上一个任务的状态，用来方便下次切换回这个任务的时候，可以再次加载这个任务的状态。这个保存到加载的过程就是一次上下文切换。
这样的切换是会影响多线程的执行效率的。想象我们看一本英文书籍，如果遇到单词不认识，我们会去查阅词典，但是在查阅之前，我们得先记住我们看到那一页了，以便等到查到单词后还能继续在之前看的位置读下去。虽然这样能够保证阅读的连贯性，但阅读的速度必然是受到影响的。
多线程并发执行不一定比串行执行快。测试发现，串行和并行做同一件循环操作，在一定达到循环次数之前，并发是没有串行速度快的。这正是因为线程的创建以及上下文切换有开销的缘故。
通过一些工具我们可以度量上下文带来的消耗：
- 使用 Lmbench3 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
那么如何减少上下文的切换呢？
- 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以可以用一线方法来避免使用锁。例如将数据的 ID 按 Hash 算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据。
- CAS 算法。Java 的 Atomic 包使用 CAS 算法来更新数据，不需要加锁
- 使用最少线程：避免创建不必要的线程，如果创建了很多多余的线程，将会造成大量的线程处于等待状态。
- 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切换。
死锁
锁是个非常有用的工具，使用也很简单易懂，但可能会引起死锁，从而导致系统不可用。在一些复杂的场景中，可能会遇到死锁问题，比如线程 t1 拿到锁之后，因为一些异常情况没有释放锁（例如死循环）。又或者是 t1 拿到了一个数据库锁，释放锁的时候抛出了异常，没有释放掉。
一旦出现死锁，业务是可以感知的，因为无法继续提供服务了，我们可以通过 dump 现场来查看哪个线程除了问题，并根据日志信息进行跟踪代码。
常见的几个避免死锁的方法：
- 避免一个线程同时获取多个锁
- 避免一个线程在锁内占用多个资源，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。 - 数据库锁的加锁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。
资源限制的挑战
资源限制可以分为计算机硬件资源和软件资源。
硬件资源限制有宽带速度、硬盘读写速度和 CPU 处理速度。如果宽带速度只有 2Mb/s，某个资源下载速度是 1Mb/s，但系统即使启动了 10 个线程下载资源，下载速度也不会编程 10Mb/s。
软件资源限制有数据库的连接数和 socket 连接等。
因为资源限制的原因，会导致有时候并发执行的任务因为资源不足，甚至还没有串行执行速度快。比如因为开了多线程导致了一些资源的请求，但资源又不够用，就会导致一些资源调度和上下文切换的开销。
对于硬件资源限制，可以使用集群并行执行程序。对于软件资源，可以考虑使用资源池将资源复用。在资源限制的情况下，要根据不同的资源限制调整程序的并发度。例如有数据库操作时，设计数据库连接数，如果 SQL 语句执行的非常快，但线程的数量要比数据库连接数大很多，那么某些线程将会被阻塞，等待数据库连接。
总结
并发编程有很多挑战，如果并发程序写的不严谨，出现了问题，定位和解决起来都比较棘手和耗时。所以对于 Java 开发工程师而言，建议多使用 JDK 并发包提供的并发容器和工具类来解决并发问题，这些类已经通过了充分的测试和优化，以上问题都是可以解决的。
