多线程上下文切换

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了多线程上下文切换相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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多线程上下文切换

前言

本文来自方腾飞老师《Java并发编程的艺术》第一章。


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。


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兵法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:

循环次数

串行执行耗时/ms

并发执行耗时/ms

串行和并发对比

1亿

78

50

并发快约0.5倍

1000万

10

6

并发快约0.5~1倍

100万

3

2

差不多

10万

2

2

差不多

1万

0

1

差不多,十几次执行下来,总体而言串行略快

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。

上下文切换次数查看

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:

多线程上下文切换

CS(Context Switch)表示上下文切换的次数,从图中可以看到,上下文每秒钟切换500~600次左右。


如果要查看上下文切换的时长,可以利用Lmbench3,这是一个性能分析工具。

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


多线程上下文切换

END!

多线程上下文切换

请留下你指尖的温度

让太阳拥抱你

以上是关于多线程上下文切换的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

多线程中的上下文切换

多线程上下文切换

1.1多线程上下文切换

多线程上下文切换优化与注意

什么是多线程中的上下文切换?

java多线程 上下文切换