【Java并发编程】并发之痛 Thread，Goroutine，Actor

系统管理员 2022-09-23 11:51 255阅读 0赞

本文基于我在2月27日Gopher北京聚会演讲整理而成，进行了一些补充以及调整。投稿给《高可用架构》公众号首发。

聊这个话题之前，先梳理下两个概念，几乎所有讲并发的文章都要先讲这两个概念：

![这里写图片描述][20160718160331256]

> **并发（concurrency）** 并发的关注点在于任务切分。举例来说，你是一个创业公司的CEO，开始只有你一个人，你一人分饰多角，一会做产品规划，一会写代码，一会见客户，虽然你不能见客户的同时写代码，但由于你切分了任务，分配了时间片，表现出来好像是多个任务一起在执行。
> 
> **并行（parallelism）** 并行的关注点在于同时执行。还是上面的例子，你发现你自己太忙了，时间分配不过来，于是请了工程师，产品经理，市场总监，各司一职，这时候多个任务可以同时执行了。

所以总结下，并发并不要求必须并行，可以用时间片切分的方式模拟，比如单核cpu上的多任务系统，并发的要求是任务能切分成独立执行的片段。而并行关注的是同时执行，必须是多（核）cpu，要能并行的程序必须是支持并发的。本文大多数情况下不会严格区分这两个概念，默认并发就是指并行机制下的并发。

# 为什么并发程序这么难? #

We believe that writing correct concurrent, fault-tolerant and scalable applications is too hard. Most of the time it’s because we are using the wrong tools and the wrong level of abstraction. —— Akka

Akka官方文档开篇这句话说的好，之所以写正确的并发，容错，可扩展的程序如此之难，是因为我们用了错误的工具和错误的抽象。（当然该文档本来的意思是Akka是正确的工具，但我们可以独立的看待这句话）。

那我们从最开始梳理下程序的抽象。开始我们的程序是面向过程的，数据结构+func。后来有了面向对象，对象组合了数结构和func，我们想用模拟现实世界的方式，抽象出对象，有状态和行为。但无论是面向过程的func还是面向对象的func，本质上都是代码块的组织单元，本身并没有包含代码块的并发策略的定义。于是为了解决并发的需求，引入了Thread（线程）的概念。

## 线程（Thread） ##

1、系统内核态，更轻量的进程  
2、由系统内核进行调度  
3、同一进程的多个线程可共享资源

线程的出现解决了两个问题，一个是GUI出现后急切需要并发机制来保证用户界面的响应。第二是互联网发展后带来的多用户问题。最早的CGI程序很简单，将通过脚本将原来单机版的程序包装在一个进程里，来一个用户就启动一个进程。但明显这样承载不了多少用户，并且如果进程间需要共享资源还得通过进程间的通信机制，线程的出现缓解了这个问题。

线程的使用比较简单，如果你觉得这块代码需要并发，就把它放在单独的线程里执行，由系统负责调度，具体什么时候使用线程，要用多少个线程，由调用方决定，但定义方并不清楚调用方会如何使用自己的代码，很多并发问题都是因为误用导致的，比如Go中的map以及Java的HashMap都不是并发安全的，误用在多线程环境就会导致问题。另外**也带来复杂度**：

**1、竞态条件（race conditions）**  
如果每个任务都是独立的，不需要共享任何资源，那线程也就非常简单。但世界往往是复杂的，总有一些资源需要共享，比如前面的例子，开发人员和市场人员同时需要和CEO商量一个方案，这时候CEO就成了竞态条件。

**2、依赖关系以及执行顺序**  
如果线程之间的任务有依赖关系，需要等待以及通知机制来进行协调。比如前面的例子，如果产品和CEO讨论的方案依赖于市场和CEO讨论的方案，这时候就需要协调机制保证顺序。

**为了解决上述问题，我们引入了许多复杂机制来保证：**

1、Mutex(Lock) （Go里的sync包, Java的concurrent包）通过互斥量来保护数据，但有了锁，明显就降低了并发度。

2、semaphore 通过信号量来控制并发度或者作为线程间信号（signal）通知。

3、volatile Java专门引入了volatile关键词来，来降低只读情况下的锁的使用。

4、compare-and-swap 通过硬件提供的CAS机制保证原子性（atomic），也是降低锁的成本的机制。

如果说上面两个问题只是增加了复杂度，我们通过深入学习，严谨的CodeReview，全面的并发测试（比如Go语言中单元测试的时候加上-race参数），一定程度上能解决（当然这个也是有争议的，有论文认为当前的大多数并发程序没出问题只是并发度不够，如果CPU核数继续增加，程序运行的时间更长，很难保证不出问题）。但最让人头痛的还是下面这个问题：

## 系统里到底需要多少线程？ ##

这个问题我们先从硬件资源入手，考虑下线程的成本：

**1、内存（线程的栈空间）**  
每个线程都需要一个栈（Stack）空间来保存挂起（suspending）时的状态。Java的栈空间（64位VM）默认是1024k，不算别的内存，只是栈空间，启动1024个线程就要1G内存。虽然可以用-Xss参数控制，但由于线程是本质上也是进程，系统假定是要长期运行的，栈空间太小会导致稍复杂的递归调用（比如复杂点的正则表达式匹配）导致栈溢出。所以调整参数治标不治本。

**2、调度成本（context-switch）**  
我在个人电脑上做的一个非严格测试，模拟两个线程互相唤醒轮流挂起，线程切换成本大约6000纳秒/次。这个还没考虑栈空间大小的影响。国外一篇论文专门分析线程切换的成本，基本上得出的结论是切换成本和栈空间使用大小直接相关。

![这里写图片描述][20160718161014146]

**3、CPU使用率**  
我们搞并发最主要的一个目标就是我们有了多核，想提高CPU利用率，最大限度的压榨硬件资源，从这个角度考虑，我们应该用多少线程呢？

![这里写图片描述][20160718161305572]

这个我们可以通过一个公式计算出来，100/(15+5)\*4=20，用20个线程最合适。但一方面网络的时间不是固定的，另外一方面，如果考虑到其他瓶颈资源呢？比如锁，比如数据库连接池，就会更复杂。

作为一个1岁多孩子的父亲，认为这个问题的难度好比你要写个给孩子喂饭的程序，需要考虑『给孩子喂多少饭合适？』，这个问题有以下回答以及策略：

> 1、 孩子不吃了就好了（但孩子贪玩，不吃了可能是想去玩了）  
> 2、 孩子吃饱了就好了（废话，你怎么知道孩子吃饱了？孩子又不会说话）  
> 3、逐渐增量，长期观察，然后计算一个平均值（这可能是我们调整线程常用的策略，但增量增加到多少合适呢？）  
> 4、孩子吃吐了就别喂了（如果用逐渐增量的模式，通过外部观察，可能会到达这个边界条件。系统性能如果因为线程的增加倒退了，就别增加线程了）  
> 5、没控制好边界，把孩子给给撑坏了 （这熊爸爸也太恐怖了。但调整线程的时候往往不小心可能就把系统搞挂了）

通过这个例子我们可以看出，从外部系统来观察，或者以经验的方式进行计算，都是非常困难的。于是结论是：

**让孩子会说话，吃饱了自己说，自己学会吃饭，自管理是最佳方案。**

然并卵，计算机不会自己说话，如何自管理？

但我们从以上的讨论可以得出一个结论：  
1、线程的成本较高（内存，调度）不可能大规模创建  
2、应该由语言或者框架动态解决这个问题

# 线程池方案 #

Java1.5后，Doug Lea的[Executor][]系列被包含在默认的JDK内，是典型的线程池方案。

线程池一定程度上控制了线程的数量，实现了线程复用，降低了线程的使用成本。但还是没有解决数量的问题，线程池初始化的时候还是要设置一个最小和最大线程数，以及任务队列的长度，自管理只是在设定范围内的动态调整。另外不同的任务可能有不同的并发需求，为了避免互相影响可能需要多个线程池，最后导致的结果就是Java的系统里充斥了大量的线程池。

# 新的思路 #

从前面的分析我们可以看出，如果线程是一直处于运行状态，我们只需设置和CPU核数相等的线程数即可，这样就可以最大化的利用CPU，并且降低切换成本以及内存使用。但如何做到这一点呢？

> 陈力就列，不能者止

这句话是说，能干活的代码片段就放在线程里，如果干不了活（需要等待，被阻塞等），就摘下来。通俗的说就是不要占着茅坑不拉屎，如果拉不出来，需要酝酿下，先把茅坑让出来，因为茅坑是稀缺资源。

要做到这点一般有两种方案：

1、**异步回调方案** 典型如NodeJS，遇到阻塞的情况，比如网络调用，则注册一个回调方法（其实还包括了一些上下文数据对象）给IO调度器（linux下是libev，调度器在另外的线程里），当前线程就被释放了，去干别的事情了。等数据准备好，调度器会将结果传递给回调方法然后执行，执行其实不在原来发起请求的线程里了，但对用户来说无感知。但这种方式的问题就是很容易遇到callback hell，因为所有的阻塞操作都必须异步，否则系统就卡死了。还有就是异步的方式有点违反人类思维习惯，人类还是习惯同步的方式。

2、**GreenThread/Coroutine/Fiber方案** 这种方案其实和上面的方案本质上区别不大，关键在于回调上下文的保存以及执行机制。为了解决回调方法带来的难题，这种方案的思路是写代码的时候还是按顺序写，但遇到IO等阻塞调用时，将当前的代码片段暂停，保存上下文，让出当前线程。等IO事件回来，然后再找个线程让当前代码片段恢复上下文继续执行，写代码的时候感觉好像是同步的，仿佛在同一个线程完成的，但实际上系统可能切换了线程，但对程序无感。

## GreenThread ##

1、用户空间 首先是在用户空间，避免内核态和用户态的切换导致的成本。  
2、由语言或者框架层调度  
3、更小的栈空间允许创建大量实例（百万级别）

## 几个概念 ##

1、**Continuation** 这个概念不熟悉FP编程的人可能不太熟悉，不过这里可以简单的顾名思义，可以理解为让我们的程序可以暂停，然后下次调用继续（contine）从上次暂停的地方开始的一种机制。相当于程序调用多了一种入口。  
2、**Coroutine** 是Continuation的一种实现，一般表现为语言层面的组件或者类库。主要提供yield，resume机制。  
3、**Fiber** 和Coroutine其实是一体两面的，主要是从系统层面描述，可以理解成Coroutine运行之后的东西就是Fiber。

# Goroutine #

Goroutine其实就是前面GreenThread系列解决方案的一种演进和实现。

首先，它内置了Coroutine机制。因为要用户态的调度，必须有可以让代码片段可以暂停/继续的机制。

其次，它内置了一个调度器，实现了Coroutine的多线程并行调度，同时通过对网络等库的封装，对用户屏蔽了调度细节。

最后，提供了Channel机制，用于Goroutine之间通信，实现CSP并发模型（Communicating Sequential Processes）。因为Go的Channel是通过语法关键词提供的，对用户屏蔽了许多细节。其实Go的Channel和Java中的SynchronousQueue是一样的机制，如果有buffer其实就是ArrayBlockQueue。

## Goroutine调度器 ##

![这里写图片描述][20160718162016628]

这个图一般讲Goroutine调度器的地方都会引用，想要仔细了解的可以看看原博客。这里只说明几点：

1、M代表系统线程，P代表处理器（核），G代表Goroutine。Go实现了M:N的调度，也就是说线程和Goroutine之间是多对多的关系。这点在许多GreenThread/Coroutine的调度器并没有实现。比如Java1.1版本之前的线程其实是GreenThread（这个词就来源于Java），但由于没实现多对多的调度，也就是没有真正实现并行，发挥不了多核的优势，所以后来改成基于系统内核的Thread实现了。

2、某个系统线程如果被阻塞，排列在该线程上的Goroutine会被迁移。当然还有其他机制，比如M空闲了，如果全局队列没有任务，可能会从其他M偷任务执行，相当于一种rebalance机制。这里不再细说，有需要看专门的分析文章。

3、具体的实现策略和我们前面分析的机制类似。系统启动时，会启动一个独立的后台线程（不在Goroutine的调度线程池里），启动netpoll的轮询。当有Goroutine发起网络请求时，网络库会将fd（文件描述符）和pollDesc（用于描述netpoll的结构体，包含因为读/写这个fd而阻塞的Goroutine）关联起来，然后调用runtime.gopark方法，挂起当前的Goroutine。当后台的netpoll轮询获取到epoll（linux环境下）的event，会将event中的pollDesc取出来，找到关联的阻塞Goroutine，并进行恢复。

## Goroutine是银弹么？ ##

Goroutine很大程度上降低了并发的开发成本，是不是我们所有需要并发的地方直接go func就搞定了呢？

Go通过Goroutine的调度解决了CPU利用率的问题。但遇到其他的瓶颈资源如何处理？比如带锁的共享资源，比如数据库连接等。互联网在线应用场景下，如果每个请求都扔到一个Goroutine里，当资源出现瓶颈的时候，会导致大量的Goroutine阻塞，最后用户请求超时。这时候就需要用Goroutine池来进行控流，同时问题又来了：池子里设置多少个Goroutine合适？

所以这个问题还是没有从更本上解决。

# Actor模型 #

Actor对没接触过这个概念的人可能不太好理解，Actor的概念其实和OO里的对象类似，是一种抽象。面对对象编程对现实的抽象是对象=属性+行为（method），但当使用方调用对象行为（method）的时候，其实占用的是调用方的CPU时间片，是否并发也是由调用方决定的。这个抽象其实和现实世界是有差异的。现实世界更像Actor的抽象，互相都是通过异步消息通信的。比如你对一个美女say hi，美女是否回应，如何回应是由美女自己决定的，运行在美女自己的大脑里，并不会占用发送者的大脑。

## Actor有以下特征： ##

1、Processing – actor可以做计算的，不需要占用调用方的CPU时间片，并发策略也是由自己决定。  
2、Storage – actor可以保存状态  
3、Communication – actor之间可以通过发送消息通讯

## Actor遵循以下规则： ##

1、发送消息给其他的Actor  
2、创建其他的Actor  
3、接受并处理消息，修改自己的状态

## Actor的目标： ##

1、Actor可独立更新，实现热升级。因为Actor互相之间没有直接的耦合，是相对独立的实体，可能实现热升级。

2、无缝弥合本地和远程调用 因为Actor使用基于消息的通讯机制，无论是和本地的Actor，还是远程Actor交互，都是通过消息，这样就弥合了本地和远程的差异。

3、容错 Actor之间的通信是异步的，发送方只管发送，不关心超时以及错误，这些都由框架层和独立的错误处理机制接管。

4、易扩展，天然分布式 因为Actor的通信机制弥合了本地和远程调用，本地Actor处理不过来的时候，可以在远程节点上启动Actor然后转发消息过去。

## Actor的实现： ##

1、Erlang/OTP Actor模型的标杆，其他的实现基本上都一定程度参照了Erlang的模式。实现了热升级以及分布式。

2、Akka（Scala,Java）基于线程和异步回调模式实现。由于Java中没有Fiber，所以是基于线程的。为了避免线程被阻塞，Akka中所有的阻塞操作都需要异步化。要么是Akka提供的异步框架，要么通过Future-callback机制，转换成回调模式。实现了分布式，但还不支持热升级。

3、Quasar (Java) 为了解决Akka的阻塞回调问题，Quasar通过字节码增强的方式，在Java中实现了Coroutine/Fiber。同时通过ClassLoader的机制实现了热升级。缺点是系统启动的时候要通过javaagent机制进行字节码增强。

# Golang CSP VS Actor #

二者的格言都是：

Don’t communicate by sharing memory, share memory by communicating  
通过消息通信的机制来避免竞态条件，但具体的抽象和实现上有些差异。

1、CSP模型里消息和Channel是主体，处理器是匿名的。  
也就是说发送方需要关心自己的消息类型以及应该写到哪个Channel，但不需要关心谁消费了它，以及有多少个消费者。Channel一般都是类型绑定的，一个Channel只写同一种类型的消息，所以CSP需要支持alt/select机制，同时监听多个Channel。Channel是同步的模式（Golang的Channel支持buffer，支持一定数量的异步），背后的逻辑是发送方非常关心消息是否被处理，CSP要保证每个消息都被正常处理了，没被处理就阻塞着。

2、Actor模型里Actor是主体，Mailbox（类似于CSP的Channel）是透明的。  
也就是说它假定发送方会关心消息发给谁消费了，但不关心消息类型以及通道。所以Mailbox是异步模式，发送者不能假定发送的消息一定被收到和处理。Actor模型必须支持强大的模式匹配机制，因为无论什么类型的消息都会通过同一个通道发送过来，需要通过模式匹配机制做分发。它背后的逻辑是现实世界本来就是异步的，不确定（non-deterministic）的，所以程序也要适应面对不确定的机制编程。自从有了并行之后，原来的确定编程思维模式已经受到了挑战，而Actor直接在模式中蕴含了这点。

从这样看来，CSP的模式比较适合Boss-Worker模式的任务分发机制，它的侵入性没那么强，可以在现有的系统中通过CSP解决某个具体的问题。它并不试图解决通信的超时容错问题，这个还是需要发起方进行处理。同时由于Channel是显式的，虽然可以通过netchan（原来Go提供的netchan机制由于过于复杂，被废弃，在讨论新的netchan）实现远程Channel，但很难做到对使用方透明。而Actor则是一种全新的抽象，使用Actor要面临整个应用架构机制和思维方式的变更。它试图要解决的问题要更广一些，比如容错，比如分布式。但Actor的问题在于以当前的调度效率，哪怕是用Goroutine这样的机制，也很难达到直接方法调用的效率。当前要像OO的『一切皆对象』一样实现一个『一切皆Actor』的语言，效率上肯定有问题。所以折中的方式是在OO的基础上，将系统的某个层面的组件抽象为Actor。

# 再扯一下Rust #

Rust解决并发问题的思路是首先承认现实世界的资源总是有限的，想彻底避免资源共享是很难的，不试图完全避免资源共享，它认为并发的问题不在于资源共享，而在于错误的使用资源共享。比如我们前面提到的，大多数语言定义类型的时候，并不能限制调用方如何使用，只能通过文档或者标记的方式（比如Java中的@ThreadSafe ,@NotThreadSafe annotation）说明是否并发安全，但也只能仅仅做到提示的作用，不能阻止调用方误用。虽然Go提供了-race机制，可以通过运行单元测试的时候带上这个参数来检测竞态条件，但如果你的单元测试并发度不够，覆盖面不到也检测不出来。所以**Rust的解决方案**就是：

1、定义类型的时候要明确指定该类型是否是并发安全的

2、引入了变量的所有权（Ownership）概念 非并发安全的数据结构在多个线程间转移，也不一定就会导致问题，导致问题的是多个线程同时操作，也就是说是因为这个变量的所有权不明确导致的。有了所有权的概念后，变量只能由拥有所有权的作用域代码操作，而变量传递会导致所有权变更，从语言层面限制了竞态条件出现的情况。

3、有了这机制，Rust可以在编译期而不是运行期对竞态条件做检查和限制。虽然开发的时候增加了心智成本，但降低了调用方以及排查并发问题的心智成本，也是一种有特色的解决方案。

# 结论 #

革命尚未成功 同志仍需努力

本文带大家一起回顾了并发的问题，和各种解决方案。虽然各家有各家的优势以及使用场景，但并发带来的问题还远远没到解决的程度。所以还需努力，大家也有机会啊。

# 最后抛个砖 构想:在Goroutine上实现Actor？ #

**分布式** 解决了单机效率问题，是不是可以尝试解决下分布式效率问题？  
和容器集群融合 当前的自动伸缩方案基本上都是通过监控服务器或者LoadBalancer，设置一个阀值来实现的。类似于我前面提到的喂饭的例子，是基于经验的方案，但如果系统内和外部集群结合，这个事情就可以做的更细致和智能。

**自管理** 前面的两点最终的目标都是实现一个可以自管理的系统。做过系统运维的同学都知道，我们照顾系统就像照顾孩子一样，时刻要监控系统的各种状态，接受系统的各种报警，然后排查问题，进行紧急处理。孩子有长大的一天，那能不能让系统也自己成长，做到自管理呢？虽然这个目标现在看来还比较远，但我觉得是可以期待的。

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[Executor]: http://blog.csdn.net/jackfrued/article/details/44499227
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