线程上下文切换

文章目录

1.1 概念1.2 案例说明1.3 切换查看1.4 切换原因1.5 减少上下文切换参考资料

1.1 概念

单核处理器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，一般是几十毫秒，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的）。

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，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换（Context Switch）。

可见，线程上下文切换的过程，就是一个线程被暂停剥夺使用权，另一个线程被选中开始或者继续运行的过程。

1.2 案例说明

public class ContextSwitchTest { private static final long count = 10000; public static void main(String[] args) throws Exception { serial(); concurrency(); } // 串行 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); } // 并发 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); } }

测试结果：

循环次数串行执行耗时/ms并发执行耗时/ms1亿1391081000万1614100万6610万241万03

观察可知，当并发执行累加操作不超过百万次时，速度会比串行执行累加操作要慢。正是因为线程有创建和上下文切换的开销，所以才会出现这种现象。

1.3 切换查看

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：

[root@localhost vagrant]# vmstat 1 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu----- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 2 0 0 628740 2068 218576 0 0 1085 40 136 324 2 3 95 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 48 86 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 35 76 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 41 82 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 35 82 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 39 78 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 38 88 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 45 80 0 1 99 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 34 77 0 0 100 0 0 0 0 0 628748 2068 218576 0 0 0 0 40 87 0 0 100 0 0

vmstat 1指每秒计数一次，cs表示上下文切换的次数。可以看到，上下文每秒钟切换80~90次左右。

1.4 切换原因

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。

Java程序中，线程上下文切换的主要原因可分为：

程序本身触发的自发性上下文切换

sleep、wait、yield、join、park、synchronized、lock等方法

系统或虚拟机触发的非自发性上下文切换

线程被分配的时间片用完、JVM垃圾回收（STW、线程暂停）、执行优先级高的线程

在Java虚拟机中，由程序计数器（Program Counter Register）存储CPU正在执行的指令位置、即将执行的下一条指令的位置。

1.5 减少上下文切换

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。

无锁并发编程。多线程竞争时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash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，而不需要加锁。使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态。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的切换。

参考资料

JAVA并发编程的艺术

定位常见Java性能问题

Java 线程上下文切换