关于 Java 并发编程的三个日常面试问题 (1)
1.为什么要使用并发编程
并发编程是一种允许多个操作同时进行的编程技术,这种技术在现代软件开发中非常重要,原因如下:
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充分利用多核处理器:现代计算机通常都拥有多核处理器,通过并发编程,可以让每个核心独立执行不同的任务,从而显著提高程序的执行效率和吞吐量。
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提高资源利用率:在I/O密集型应用(如网络服务或数据库操作)中,程序经常需要等待外部操作完成,如数据读写或网络通信。并发编程允许程序在等待这些I/O操作完成时执行其他任务,从而提高资源的利用率。
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改善用户体验:在图形用户界面(GUI)应用程序中,如果所有操作都在单一线程中执行,那么长时间运行的任务可能会冻结界面,导致不良的用户体验。并发编程允许长时间运行的任务在后台执行,而界面保持响应,从而改善用户体验。
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简化复杂操作的处理:某些应用程序需要执行多个相互独立的任务,这些任务可能需要同时监视多个资源或以实时方式响应外部事件。通过并发编程,可以更简单地管理这些复杂的操作和交互。
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支持大规模、高性能的应用系统:对于需要高吞吐量和低延迟的大型系统(如在线游戏服务器、高频交易系统),并发编程是实现这些目标的关键技术之一。
尽管并发编程带来了许多好处,但它也引入了复杂性和潜在的问题,如数据竞争、死锁和并发控制。因此,开发人员需要使用适当的同步机制,如锁、信号量和消息传递,来管理并发操作,确保程序的正确性和性能。
2.多线程应用场景
多线程是并发编程的一种常见形式,它允许应用程序同时执行多个任务。这在多种应用场景中非常有用,以下是一些典型的多线程应用场景:
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图形用户界面(GUI)应用程序:在GUI应用程序中,一个线程通常用于维护用户界面的响应性,处理用户输入和显示输出,而其他线程执行后台任务(如数据加载和处理),防止界面因执行耗时操作而冻结。
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服务器应用程序:服务器(如Web服务器或数据库服务器)通常需要同时处理多个客户端请求。使用多线程,服务器可以为每个客户端请求分配一个独立的线程,实现并行处理,提高吞吐量和响应速度。
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网络应用程序:在进行网络通信时,应用程序可能需要等待网络响应,这会阻塞执行。通过使用多线程,应用程序可以在一个线程中等待网络响应,同时在另一个线程中继续执行其他任务。
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并行数据处理:在数据密集型应用程序中,如图像处理或科学计算,可以通过多线程将数据集分割成较小的部分,分别在不同的线程中并行处理,以提高处理速度。
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实时系统:实时系统(如视频游戏或交易系统)需要快速响应外部事件。多线程允许系统在一个线程中处理实时输入,同时在其他线程中执行后台任务,如数据记录或状态更新。
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文件I/O和数据库操作:在进行大量的文件输入/输出操作或数据库交互时,这些操作可能会花费较长时间来完成。使用多线程可以在一个线程中执行I/O操作,而其他线程继续处理业务逻辑,从而提高应用程序的效率。
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云计算和微服务架构:在云环境和微服务架构中,应用程序需要高效地处理来自其他服务的并发请求。多线程使得应用程序能够同时处理这些并发请求,优化资源利用,提高服务的可用性和扩展性。
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游戏开发:现代视频游戏通常具有复杂的图形渲染、物理模拟和AI计算。通过在不同的线程中并行处理这些任务,可以实现更流畅的游戏体验和更高的帧率。
在这些场景中,正确地使用多线程可以显著提高程序的性能和响应速度。然而,多线程编程也引入了额外的复杂性和潜在的问题(如竞争条件、死锁),需要开发者谨慎处理。
3.并发编程有什么缺点
并发编程,虽然能够显著提高程序的执行效率和响应速度,尤其是在多核处理器上运行时,但它也带来了一些挑战和缺点,主要包括:
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复杂性增加:并发编程比顺序编程复杂得多,因为你需要考虑如何分割任务,如何同步各个并发执行的任务。理解和设计并发程序需要更深的技术理解。
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调试难度大:并发程序的调试比顺序程序要困难,因为可能出现的错误和竞态条件(两个或多个进程或线程在没有适当同步的情况下访问共享数据导致数据不一致)是不确定且难以重现的。
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死锁:在并发编程中,如果不同线程或进程彼此等待对方持有的资源释放,就会发生死锁,使得程序无法向前推进。
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竞态条件:当多个线程或进程访问和修改同一数据时,如果没有适当的同步,最终的结果可能会依赖于线程或进程的执行顺序,这是不可预测的。
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资源消耗增加:创建和管理线程或进程需要消耗系统资源,如内存和CPU时间。如果并发的数量非常高,这些开销可能会影响到程序的整体性能。
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同步开销:为了避免竞态条件和数据不一致,需要引入同步机制,如互斥锁、信号量等。这些同步操作本身也会引入开销,可能会降低并发带来的性能提升。
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设计和维护难度:并发编程需要更仔细地考虑程序设计,尤其是关于共享资源的访问控制,这使得并发程序的设计和维护比顺序程序更加困难。
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可伸缩性问题:虽然并发编程旨在提高程序的执行效率,但是在某些情况下,由于硬件限制或者程序设计问题,增加更多的并发并不总能带来预期的性能提升。
总的来说,虽然并发编程有其优势,但也需要开发者具备更高的技能水平,仔细设计和测试,以确保程序的正确性和性能。
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F#探险之旅(二):函数式编程(上)-函数式编程范式简介 F#主要支持三种编程范式:函数式编程(Functional Programming,FP)、命令式编程(Imperative Programming)和面向对象(Object-Oriented,OO)的编程。回顾它们的历史,FP是最早的一种范式,第一种FP语言是IPL,产生于1955年,大约在Fortran一年之前。第二种FP语言是Lisp,产生于1958,早于Cobol一年。Fortan和Cobol都是命令式编程语言,它们在科学和商业领域的迅速成功使得命令式编程在30多年的时间里独领风骚。而产生于1970年代的面向对象编程则不断成熟,至今已是最流行的编程范式。有道是“*代有语言出,各领风骚数十年”。 尽管强大的FP语言(SML,Ocaml,Haskell及Clean等)和类FP语言(APL和Lisp是现实世界中最成功的两个)在1950年代就不断发展,FP仍停留在学院派的“象牙塔”里;而命令式编程和面向对象编程则分别凭着在商业领域和企业级应用的需要占据领先。今天,FP的潜力终被认识——它是用来解决更复杂的问题的(当然更简单的问题也不在话下)。 纯粹的FP将程序看作是接受参数并返回值的函数的集合,它不允许有副作用(side effect,即改变了状态),使用递归而不是循环进行迭代。FP中的函数很像数学中的函数,它们都不改变程序的状态。举个简单的例子,一旦将一个值赋给一个标识符,它就不会改变了,函数不改变参数的值,返回值是全新的值。 FP的数学基础使得它很是优雅,FP的程序看起来往往简洁、漂亮。但它无状态和递归的天性使得它在处理很多通用的编程任务时没有其它的编程范式来得方便。但对F#来说这不是问题,它的优势之一就是融合了多种编程范式,允许开发人员按照需要采用最好的范式。 关于FP的更多内容建议阅读一下这篇文章:Why Functional Programming Matters(中文版)。F#中的函数式编程 从现在开始,我将对F#中FP相关的主要语言结构逐一进行介绍。标识符(Identifier) 在F#中,我们通过标识符给值(value)取名字,这样就可以在后面的程序中引用它。通过关键字let定义标识符,如: let x = 42 这看起来像命令式编程语言中的赋值语句,两者有着关键的不同。在纯粹的FP中,一旦值赋给了标识符就不能改变了,这也是把它称为标识符而非变量(variable)的原因。另外,在某些条件下,我们可以重定义标识符;在F#的命令式编程范式下,在某些条件下标识符的值是可以修改的。 标识符也可用于引用函数,在F#中函数本质上也是值。也就是说,F#中没有真正的函数名和参数名的概念,它们都是标识符。定义函数的方式与定义值是类似的,只是会有额外的标识符表示参数: let add x y = x + y 这里共有三个标识符,add表示函数名,x和y表示它的参数。关键字和保留字关键字是指语言中一些标记,它们被编译器保留作特殊之用。在F#中,不能用作标识符或类型的名称(后面会讨论“定义类型”)。它们是: abstract and as asr assert begin class default delegate do donedowncast downto elif else end exception extern false finally forfun function if in inherit inline interface internal land lazy letlor lsr lxor match member mod module mutable namespace new nullof open or override private public rec return sig static structthen to true try type upcast use val void when while with yield 保留字是指当前还不是关键字,但被F#保留做将来之用。可以用它们来定义标识符或类型名称,但编译器会报告一个警告。如果你在意程序与未来版本编译器的兼容性,最好不要使用。它们是: atomic break checked component const constraint constructor continue eager event external fixed functor global include method mixinobject parallel process protected pure sealed trait virtual volatile 文字值(Literals) 文字值表示常数值,在构建计算代码块时很有用,F#提供了丰富的文字值集。与C#类似,这些文字值包括了常见的字符串、字符、布尔值、整型数、浮点数等,在此不再赘述,详细信息请查看F#手册。 与C#一样,F#中的字符串常量表示也有两种方式。一是常规字符串(regular string),其中可包含转义字符;二是逐字字符串(verbatim string),其中的(")被看作是常规的字符,而两个双引号作为双引号的转义表示。下面这个简单的例子演示了常见的文字常量表示: let message = "Hello World"r"n!" // 常规字符串let dir = @"C:"FS"FP" // 逐字字符串let bytes = "bytes"B // byte 数组let xA = 0xFFy // sbyte, 16进制表示let xB = 0o777un // unsigned native-sized integer,8进制表示let print x = printfn "%A" xlet main = print message; print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面