1.引言

大家好，我是小?，一個漂泊江湖多年的 985 非科班程序員，曾混跡于國企、互聯(lián)網(wǎng)大廠和創(chuàng)業(yè)公司的后臺開發(fā)攻城獅。

作為開發(fā)者，不管是求職面試，還是在日常工作中，相信大家對高并發(fā)和多線程都不會陌生。

求職面試時，卷出天際的后臺招聘要求，往往都會要求我們熟悉高并發(fā)、多進程/多線程：

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日常工作中，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)應用的興起和發(fā)展，我們面對的系統(tǒng)任務和問題也變得越來越復雜。

無論是構(gòu)建大規(guī)模的 Web 應用、處理龐大的數(shù)據(jù)集，還是開發(fā)高性能的游戲，都需要應對一個共同的挑戰(zhàn)：高并發(fā)。

1.1 什么是高并發(fā)？

高并發(fā)是指在同一時間段內(nèi)有大量用戶或程序在訪問和使用某個服務或資源。

這意味著我們需要在同一時間內(nèi)處理大量的請求、數(shù)據(jù)和任務。如何高效地處理這種情況，就成了一項關(guān)鍵的技術(shù)任務。

高并發(fā)是一個充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，但同時也是一個充滿機會的領(lǐng)域。

1.2 多線程和高并發(fā)有啥關(guān)系？

解決高并發(fā)問題不僅能夠提高系統(tǒng)的性能，還能夠改善用戶體驗，為企業(yè)帶來更多的商機。

而多線程技術(shù)，正是應對高并發(fā)挑戰(zhàn)的重要工具之一。

所以，在本篇文章中，小?將帶大家一起深入探討高并發(fā)和多線程，并熟悉多線程的工作原理、應用場景以及解決高并發(fā)問題的實際方案。

相信無論你是初級程序員還是有一定經(jīng)驗的開發(fā)者，都能夠在這篇文章中找到有用的信息。

2. 高并發(fā)

2.1 并發(fā)與并行

并發(fā)

并發(fā)是指多個任務在相同的時間段內(nèi)執(zhí)行。在單核處理器上，多個線程之間通過時間片輪轉(zhuǎn)方式切換執(zhí)行，造成了并發(fā)場景。

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相當于我們的錄像，當視頻幀數(shù)夠高時（即一秒內(nèi)切換多張圖片），我們的肉眼就會把它當成是一個連續(xù)而流暢的視頻。

并行

在多核處理器上，真正的并發(fā)可以實現(xiàn)多個線程同時執(zhí)行不同的任務——也就是并行。

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并行是指多個任務在同一時刻執(zhí)行，通常需要多核處理器。并行是并發(fā)的一個子集，只有當硬件支持多個并行執(zhí)行單元時才能實現(xiàn)真正的并行。

思考題

場景1：為什么我們在玩游戲時，很難一邊激烈團戰(zhàn)，一邊集中注意接電話？

場景2：我們在開車時，可以一邊聽音樂，一邊撥弄方向盤而互不影響。大家不妨猜一下，我們的大腦是并發(fā)還是并行運行的呢？

2.2 多高的并發(fā)才算高并發(fā)？

了解了并發(fā)的概念，現(xiàn)在我們來聊一聊高并發(fā)。

或許和我們平常想象的不同，不是說 QPS（Queries Per Second）每秒查詢率 或 HPS（Hits Per Second）每秒點擊數(shù) 等指標很高才算是高并發(fā)。

高并發(fā)是一個相對的概念，它取決于系統(tǒng)的性能和處理能力。通常，當系統(tǒng)需要處理的請求或事務數(shù)量超出其正常負載的范圍時，就可以稱之為高并發(fā)。

2.3 高并發(fā)的挑戰(zhàn)

高并發(fā)雖然帶來了許多機會，但也伴隨著很多挑戰(zhàn)。

比如，高并發(fā)系統(tǒng)需要在短時間內(nèi)處理大量請求，而不降低系統(tǒng)的性能或響應速度。

這可能涉及到多個用戶同時訪問一個網(wǎng)站、多個客戶端同時請求服務器數(shù)據(jù)、或多個線程同時訪問共享資源。

在分布式系統(tǒng)中，不管是多個用戶訪問，還是多個客戶端訪問服務器，歸根到底都是各服務器的業(yè)務線程來訪問共享資源，所以，高并發(fā)的挑戰(zhàn)幾乎都是與多線程相關(guān)的。

在面對高并發(fā)時，具體會出現(xiàn)以下幾個問題。

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1. 競態(tài)條件

多個線程同時訪問共享資源，可能導致數(shù)據(jù)不一致問題。例如，多個線程同時向同一個銀行賬戶存款，可能導致余額錯誤。

2. 死鎖

多個線程相互等待對方釋放資源，導致系統(tǒng)停滯。例如，線程 A 等待線程 B 釋放鎖，而線程 B 又等待線程 A 釋放鎖，就形成了死鎖。

3. 資源爭用

多線程訪問共享資源時，可能導致資源爭奪問題，降低性能。例如，多個線程同時競爭數(shù)據(jù)庫連接，導致數(shù)據(jù)庫響應變慢。

4. 線程安全

需要確保多線程訪問共享數(shù)據(jù)時不會引發(fā)錯誤。例如，在多線程環(huán)境下，需要確保對數(shù)據(jù)的讀寫是安全的。

5. 調(diào)試難度

由于多線程的執(zhí)行順序是不確定的，問題可能出現(xiàn)在不同的時機。所以多線程程序的調(diào)試相對復雜，問題難以重現(xiàn)。

2.4 解決高并發(fā)問題

為了解決高并發(fā)問題，需要采用適當?shù)募夹g(shù)和方法，具體有以下幾種。

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1. 鎖機制

使用鎖來保護共享資源，確保同時只有一個線程可以訪問。

鎖可以分為互斥鎖和讀寫鎖，互斥鎖用于獨占資源，讀寫鎖允許多個線程同時讀取資源，但只允許一個線程寫入。

具體實現(xiàn)細節(jié)可以使用編程語言提供的鎖機制，如 Java 中的 synchronized 關(guān)鍵字或 Python 中的 threading.Lock。

2. 并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

使用并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如并發(fā)隊列和哈希表，減少資源爭用。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，能夠在多線程環(huán)境下高效工作。

例如，Java提供了ConcurrentHashMap，它是一個線程安全的哈希表，可以在高并發(fā)環(huán)境下使用而無需顯式加鎖。

3. 線程池

管理和重用線程，提高性能。線程池可以控制線程的數(shù)量，避免線程過多導致資源浪費。

在 Java 中，你可以使用ExecutorService來創(chuàng)建和管理線程池。這樣可以避免線程的頻繁創(chuàng)建和銷毀，提高效率。

4. 消息傳遞

通過消息傳遞模型進行線程間通信，避免共享內(nèi)存。消息傳遞可以確保線程之間的數(shù)據(jù)安全傳遞，減少競態(tài)條件。

例如，在 Go 語言中，你可以使用通道（channel）進行消息傳遞，確保數(shù)據(jù)的安全傳遞。

5. 原子操作

原子操作是不可分割的操作，它們可以確保多個線程對共享變量的操作是安全的。原子操作通常由第三方庫或者特性支持，可以用于實現(xiàn)各種同步機制。

在 C/C++ 中，你可以使用原子操作來操作共享變量，例如使用atomic庫。在 MySQL 中，InnoDB 引擎的事務線程能夠自帶原子性的特點。

3. 多線程

3.1 進程與線程

當并發(fā)工作中的某一個任務完成后，會從一段程序切換到另一段程序上執(zhí)行，而上一段程序運行的一系列狀態(tài)如果不保存，就會丟失，因此操作系統(tǒng)引入了進程來進行資源隔離。

進程

進程是用來劃分程序運行時所需的基本資源單位，它擁有獨立的地址空間，獨立的堆棧，當進程切換時，就可以保證各自的數(shù)據(jù)存儲不受影響。

由于進程涉及到大量資源的消耗，所以由計算機操作系統(tǒng)嚴格管控（可以理解為：每個省市的土地資源審批，都是十分謹慎的，特別是一線城市，所以由核心部門統(tǒng)一管控）。

因此，進程的切換都發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，由計算機核心程序來統(tǒng)一調(diào)度。

小知識：

操作系統(tǒng)分為內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)，處于內(nèi)核態(tài)的 CPU（Central Processing Unit，核心處理器）可以訪問任意的數(shù)據(jù)。

包括網(wǎng)卡、硬盤等外圍設備，并且在占用的 CPU 不會發(fā)生搶占的情況。

而處于用戶態(tài)的 CPU 只能受限地訪問內(nèi)存，不允許訪問外圍設備，用戶態(tài)下的 CPU 可能會被其它程序搶占。

線程

當進程切換時，由于要切換內(nèi)核狀態(tài)，因此資源消耗比較大，對此又引入了線程的概念。

線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的最小單位，是程序內(nèi)部的一個執(zhí)行流程。一個進程可以包含多個線程，它們共享進程的資源，如內(nèi)存空間和文件句柄，但各自有獨立的棧內(nèi)存。

線程本身幾乎不占用任何資源，它和本進程的其它線程共享地址空間，共享堆，所以調(diào)度時耗費比較小，但是它擁有獨立的 CPU 上下文（包括 CPU 寄存器、程序計數(shù)器等）。

線程好比與同一個進程里面的線程共享同一片土地資源，但是線程有各自的辦公樓，線程之間切換時也是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度。

小知識：線程分為內(nèi)核態(tài)線程與用戶態(tài)線程，用戶態(tài)線程必須要綁定到內(nèi)核態(tài)線程中，才可運行。

3.2 多線程概念

多線程是一種并發(fā)執(zhí)行的方式，它可以讓一個程序分為多個獨立的線程，每個線程可以獨立執(zhí)行任務。這就好比在一塊土地資源上，可以同時施工而互不影響。

創(chuàng)建和管理線程

多線程的創(chuàng)建和管理涉及到操作系統(tǒng)的調(diào)度機制，在不同編程語言中有不同的實現(xiàn)方式。我們以 Python 為例：

import threading

def my_function():
   # 線程要執(zhí)行的任務

thread = threading.Thread(target=my_function)
thread.start()  # 啟動線程

線程同步與互斥

當多個線程同時訪問共享資源時，可能會導致競態(tài)條件，即多個線程之間相互競爭資源，可能導致數(shù)據(jù)不一致。

為了解決這個問題，我們使用鎖機制，保證在同一時間只有一個線程可以訪問共享資源。

import threading

lock = threading.Lock()

def my_function():
   lock.acquire()  # 獲取鎖
   # 訪問共享資源
   lock.release()  # 釋放鎖

3.3 多線程應用

多線程不僅可以提高程序的性能，還可以改善用戶體驗。在現(xiàn)實生活中，我們經(jīng)常遇到多線程應用的場景。

Web服務器

想象一個熱門的社交媒體網(wǎng)站，數(shù)百萬用戶同時在不同時間訪問該網(wǎng)站。

這些用戶會請求不同的頁面、上傳照片、發(fā)表帖子，同時還有一些后臺任務，如數(shù)據(jù)備份、新帖子推送等。

此時，Web 服務器需要同時處理來自多個用戶的請求。每個用戶的請求可以看作一個線程，多線程允許服務器同時響應多個請求。

例如，一個用戶可以請求查看自己的個人資料，而另一個用戶可以請求發(fā)布新的狀態(tài)更新。這兩個請求可以由不同的線程同時處理，提高了服務器的響應速度。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

假設一個在線銀行系統(tǒng)，數(shù)千名客戶同時訪問其賬戶信息，檢查余額、轉(zhuǎn)賬等。此外，銀行系統(tǒng)還需要處理客戶的存款和取款操作。

此時，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要同時處理多個客戶的請求。每個客戶請求可以看作一個線程，多線程可以同時查詢數(shù)據(jù)庫，確保每個客戶的賬戶信息都是最新的。

游戲交互

一個多人在線游戲，數(shù)十名玩家同時參與游戲。這個游戲需要同時處理玩家的操作、物理模擬、AI 計算和多人游戲互動。

此時，游戲引擎可以使用多線程來處理不同方面的任務。一個線程可以負責渲染游戲畫面，另一個線程可以處理玩家的操作，還有一個線程可以負責模擬游戲中的物理效果。

有了多線程，游戲系統(tǒng)的反饋會更加流暢，玩家也可以享受到高度互動的游戲體驗。

4. 總結(jié)

當談論多線程和并發(fā)，就好像是我們?nèi)粘Ｉ钪械姆泵诸^，每個人都在處理自己的事情，但同時也需要協(xié)調(diào)與他人的互動。

這些不同的活動和任務就好比多線程中的多個線程，它們在同時運行，互相影響，但也需要有效的協(xié)調(diào)和管理。

高并發(fā)就像是一個繁忙的咖啡店需要應對顧客一樣，每個員工都在制作不同的咖啡，有人負責濃縮咖啡，有人負責蒸奶，有人負責服務顧客。這些員工就好比不同的線程，它們同時工作，但需要協(xié)調(diào)好咖啡的制作，以確保每杯咖啡都是完美的。

除了應對面試，多線程和高并發(fā)也是我們?nèi)粘Ｉ畹目s影，它們讓不同的任務可以同時進行，提高了效率和體驗。但同時也需要良好的協(xié)調(diào)和管理，以避免混亂和沖突。

多線程和高并發(fā)是現(xiàn)代計算機科學的一部分，也是我們生活中的一種常態(tài)。

希望這篇文章能幫助大家更好地理解并欣賞多線程和高并發(fā)在我們的數(shù)字世界中的作用。