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执行一个任务时,多线程一定比单线程快吗?

执行一个任务时,多线程一定比单线程快吗?

作者: 凉风拂面秋挽月 | 来源:发表于2019-12-11 20:33 被阅读0次

    回答当然是不会。首先在多线程的执行过程中,有可能是并发执行或者是并行执行。这里取决于当前主机的cpu数量,以及cpu此时是否繁忙。
    在CPU比较繁忙,资源不足的时候(开启了很多进程),操作系统只为一个含有多线程的进程分配仅有的CPU资源,这些线程就会为自己尽量多抢时间片,这就是通过多线程实现并发,线程之间会竞争CPU资源争取执行机会。
    在CPU资源比较充足的时候,一个进程内的多线程,可以被分配到不同的CPU资源,这就是通过多线程实现并行。
    至于多线程实现的是并发还是并行?上面所说,所写多线程可能被分配到一个CPU内核中执行,也可能被分配到不同CPU执行,分配过程是操作系统所为,不可人为控制。所以,如果有人问我我所写的多线程是并发还是并行的?我会说,都有可能。
    不管并发还是并行,都提高了程序对CPU资源的利用率,最大限度地利用CPU资源。
    但我们知道多线程在并发的时候其实是有资源消耗的,其消耗的是上下文切换。

    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。

    上下文切换测试:测试累加消耗的时间

    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,观察结果:


    image.png

    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:
    1.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
    2.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
    3.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
    4.用户代码挂起当前任务,让出CPU时间
    5.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。
    1.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。
    2.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。
    3.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。

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