【并发编程】线程上下文切换

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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)

<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201022161036944.png" style="zoom:80%;" />

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/ms
1亿139108
1000万1614
100万66
10万24
1万03

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

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