线程上下文切换

线程上下文切换（Thread Context Switch ）

 

定义

CPU执行线程的时候是通过时间分片的方式来轮流执行的，当某一个线程的时间片用完（到期），那么这个线程就会被中断，CPU不再执行当前线程，CPU会把使用权给其它线程来执行。如T1线程未执行结束，T2/T3线程插进来执行了，若干时间后T1又继续执行未执行完的部分，这种就造成了线程之间的来回切换。

一次上下文切换：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，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。当Context Switch发生时，需要由操作系统保持当前线程的状态，并恢复另一个线程的状态，状态包括程序计数器、虚拟机栈中每个栈帧的信息。

 

造成原因

• 线程的CPU时间片用完
• 垃圾回收
• 有更高优先级的线程需要运行
• 线程自已调用了sleep、yield、wait、park、synchronized、lock等方法

 

 

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。

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。

 

代码演示：

public class SwitchContextTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new SwitchContextTest().contextSwitchTest();
    }
    public static final long REPEAT_TIMES = 100000;

    public AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * 启动10000个线程，表示有10000个线程会来回上下文切换
     */
    public void contextSwitchTest() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < REPEAT_TIMES; j++) {
                    count.incrementAndGet();
                }
            }, "AAA").start();
        }
        // 主线程 + 后台gc线和，所以这里判断条件为2
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("最终结果：" + count.get() + "共执行：" + (end - start) + "ms"); // 最终结果：1000000000共执行：20227ms
    }

    /**
     * 启动1个线程，没有线程会来回上下文切换
     */
    public void noSwitchtest() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000 * REPEAT_TIMES; i++) {
            count.incrementAndGet();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("最终结果：" + count.get() + "共执行：" + (end - start) + "ms"); // 最终结果：1000000000共执行：5613ms
    }
}

在总的循环次数一样时，一个使用多线程，一个使用单线程，两个方法测试出的结果显示使用多线程的消耗总时间比单线程下还要长，这个实例说明多线程中，线程上下文之间的切换比较耗性能。

　　

 

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