java多线程（一）---上下文切换

1. 上下文切换的概念

• 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。

• 即使是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，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，时间片一般是几十毫秒（ms）。

2. 多线程一定快吗

示例：

public class ConcurrencyTest {
    private static final long count = 10000l;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        concurrency();
        serial();
    }

    //并发
    private static void concurrency() throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int a = 0;
                for (long i = 0; i < count; i++) {
                    a += 5;
                }
            }
        });
        thread.start();
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        thread.join();
        System.out.println("concurrency :" + time+"ms,b="+b);
    }

    //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 (long i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("serial:" + time+"ms,b="+b+",a="+a);
    }
}

image

• 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。
• 这是因为线程有创建和上下文切换的开销。

3 如何减少上下文切换

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。
  多线程竞争锁时，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算法取模分段，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

《java并发编程的艺术》