【JAVA多线程16】线程上下文切换

发布时间：2022-09-21 15:02:31 所属栏目：Unix 来源：

导读：　　并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题、

　　并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题、死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，本文要研究的是上下文切换的问题。

　　什么是上下文切换

　　即使是单核CPU也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU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，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程时同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

　　CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再次加载这个任务的状态，从任务保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

　　这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书籍时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文词典，但是在放下英文书籍之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

　　上下文切换代码测试

　　下面的代码演示串行和兵法执行并累加操作的时间：

　　public class ContextSwitchTest

　　{

　　private static final long count = 10000;

　　public static void main(String[] args) throws Exception

　　{

　　concurrency();

　　serial();

　　}

　　private static void concurrency() throws Exception

　　{

　　long start = System.currentTimeMillis();

　　Thread thread = new Thread(new Runnable(){

　　public void run()

　　{

　　int a = 0;

　　for (int i = 0; i < count; i++)

　　{

　　a += 5;

　　}

　　}

　　});

　　thread.start();

　　int b = 0;

　　for (long i = 0; i < count; i++)

　　{

　　b --;

　　}

　　thread.join();

　　long time = System.currentTimeMillis() - start;

　　System.out.println("Concurrency：" + time + "ms, b = " + b);

　　}

　　private static void serial()

　　{

　　long start = System.currentTimeMillis();

　　int a = 0;

　　for (long i = 0; i < count; i++)

　　{

　　a += 5;

　　}

　　int b = 0;

　　for (int i = 0; i < count; i++)

　　{

　　b --;

　　}

　　long time = System.currentTimeMillis() - start;

　　System.out.println("Serial：" + time + "ms, b = " + b + ", a = " + a);

　　}

　　}

　　修改上面的count值，即修改循环次数，看一下串行运行和并发运行的时间测试结果：

　　循环次数

　　串行执行耗时/ms

　　并发执行耗时/ms

　　串行和并发对比

　　1亿

　　78

　　50

　　并发快约0.5倍

　　1000万

　　10

　　6

　　并发快约0.5~1倍

　　100万

　　3

　　2

　　差不多

　　10万

　　2

　　2

　　差不多

　　1万

　　0

　　1

　　差不多，十几次执行下来，总体而言串行略快

　　从表中可以看出，100次并发执行累加以下，串行执行和并发执行的运行速度总体而言差不多，1万次以下串行执行甚至还可以说是略快。为什么并发执行的速度会比串行慢呢？这就是因为线程有创建和上下文切换的开销。

　　引起线程上下文切换的原因

　　对于我们经常使用的抢占式操作系统而言，引起线程上下文切换的原因大概有以下几种：

　　当前执行任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务当前执行任务碰到IO阻塞，调度器将此任务挂起，继续下一任务多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一任务用户代码挂起当前任务，让出CPU时间硬件中断

　　上下文切换次数查看

　　在Linux系统下可以使用vmstat命令来查看上下文切换的次数，下面是利用vmstat查看上下文切换次数的示例：

　　CS（Context Switch）表示上下文切换的次数，从图中可以看到，上下文每秒钟切换500~600次左右。

　　如果要查看上下文切换的时长，可以利用Lmbench3，这是一个性能分析工具。

　　如何减少上下文切换

　　既然上下文切换会导致额外的开销，因此减少上下文切换次数便可以提高多线程程序的运行效率。减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。

　　【毒鸡汤：我相信乔布斯说的unix线程切换，只有那些疯狂到认为自己可以改变世界的人才能真正地改变世界。面对压力，我可以挑灯夜战、不眠不休；面对困难，我愿意迎难而上、永不退缩。】

（编辑：我爱制作网_池州站长网）

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