什么是上下文切換

即使是單核CPU也支持多線程執(zhí)行代碼，CPU通過(guò)給每個(gè)線程分配CPU時(shí)間片來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制。時(shí)間片是CPU分配給各個(gè)線程的時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間片非常短，所以CPU通過(guò)不停地切換線程執(zhí)行，讓我們感覺(jué)多個(gè)線程時(shí)同時(shí)執(zhí)行的，時(shí)間片一般是幾十毫秒（ms）。

CPU通過(guò)時(shí)間片分配算法來(lái)循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片后會(huì)切換到下一個(gè)任務(wù)。但是，在切換前會(huì)保存上一個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個(gè)任務(wù)時(shí)，可以再次加載這個(gè)任務(wù)的狀態(tài)，從任務(wù)保存到再加載的過(guò)程就是一次上下文切換。

這就像我們同時(shí)讀兩本書(shū)，當(dāng)我們?cè)谧x一本英文的技術(shù)書(shū)籍時(shí)，發(fā)現(xiàn)某個(gè)單詞不認(rèn)識(shí)，于是便打開(kāi)中英文詞典，但是在放下英文書(shū)籍之前，大腦必須先記住這本書(shū)讀到了多少頁(yè)的第多少行，等查完單詞之后，能夠繼續(xù)讀這本書(shū)。這樣的切換是會(huì)影響讀書(shū)效率的，同樣上下文切換也會(huì)影響多線程的執(zhí)行速度。

上下文切換代碼測(cè)試

下面的代碼演示串行和并發(fā)執(zhí)行并累加操作的時(shí)間：

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，即修改循環(huán)次數(shù)，看一下串行運(yùn)行和并發(fā)運(yùn)行的時(shí)間測(cè)試結(jié)果：

從表中可以看出，100次并發(fā)執(zhí)行累加以下，串行執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行的運(yùn)行速度總體而言差不多，1萬(wàn)次以下串行執(zhí)行甚至還可以說(shuō)是略快。為什么并發(fā)執(zhí)行的速度會(huì)比串行慢呢？這就是因?yàn)?strong>線程有創(chuàng)建和上下文切換的開(kāi)銷。

引起線程上下文切換的原因

對(duì)于我們經(jīng)常使用的搶占式操作系統(tǒng)而言，引起線程上下文切換的原因大概有以下幾種：

• 當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間片用完之后，系統(tǒng)CPU正常調(diào)度下一個(gè)任務(wù)
• 當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)碰到IO阻塞，調(diào)度器將此任務(wù)掛起，繼續(xù)下一任務(wù)
• 多個(gè)任務(wù)搶占鎖資源，當(dāng)前任務(wù)沒(méi)有搶到鎖資源，被調(diào)度器掛起，繼續(xù)下一任務(wù)
• 用戶代碼掛起當(dāng)前任務(wù)，讓出CPU時(shí)間
• 硬件中斷

如何減少上下文切換

既然上下文切換會(huì)導(dǎo)致額外的開(kāi)銷，因此減少上下文切換次數(shù)便可以提高多線程程序的運(yùn)行效率。減少上下文切換的方法有無(wú)鎖并發(fā)編程、CAS算法、使用最少線程和使用協(xié)程。

• 無(wú)鎖并發(fā)編程。多線程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，會(huì)引起上下文切換，所以多線程處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以用一些辦法來(lái)避免使用鎖，如將數(shù)據(jù)的ID按照Hash取模分段，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)
• CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來(lái)更新數(shù)據(jù)，而不需要加鎖
• 使用最少線程。避免創(chuàng)建不需要的線程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多線程來(lái)處理，這樣會(huì)造成大量線程都處于等待狀態(tài)
• 協(xié)程。在單線程里實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個(gè)任務(wù)間的切換

到此這篇關(guān)于關(guān)于Java多線程上下文切換的總結(jié)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程上下文切換內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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