关于Java多线程上下文切换的总结-Java开发

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

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并发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：

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

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。

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

到此这篇关于关于Java多线程上下文切换的总结的文章就介绍到这了,更多相关Java多线程上下文切换内容请搜索编程学习网以前的文章希望大家以后多多支持编程学习网！