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Java并发编程的上下文切换

银河小徐
2022-03-05 / 0 评论 / 10 点赞 / 87 阅读 / 1,795 字 / 正在检测是否收录...
温馨提示:
本文最后更新于 2022-06-04,若内容或图片失效,请留言反馈。部分素材来自网络,若不小心影响到您的利益,请联系我们删除。

本文内容摘自机械工业出版社《Java 并发编程的艺术》书中的第 1 章,作者方腾飞、魏鹏、程晓明。

并发编程是为了能够让程序运行的更快,但是并不是启动更多的线程就能够让程序最大限度的并发执行。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,会面临很多问题,比如上下文切换的问题、死锁等问题。本文会对上下文切换做个简单的讲解。

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ICPU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)。

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。

这就像我们同时读两本书,当我们在读一本英文的技术书时,发现某个单词不认识,于是便打开中英文字典,但是在放下英文技术书之前,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。

多线程一定快吗

下面的代码演示串行和并发执行并累加操作的时间,请分析:下面的代码并发执行一定比串行执行快吗?

public class ConcurrencyTest {

    private static final long count = 10000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        concurrency();
        serial();
    }

    private static void concurrency() throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        Thread thread = new Thread(() -> {
            int a = 0;
            for (int i = 0; i < count; i++) {
                a += 5;
            }
        });
        thread.start();
        int b = 0;
        for (int 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 (int 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);
    }

}

上述问题的答案是“不一定”,测试结果如表所示(我电脑 Jdk8执行的结果,与书中大有不同)。

循环次数串行执行耗时/ms并发执行耗时/ms
10亿783486
1亿7994
1千万1156
1百万454
10万252
1万145

从表中可以发现,当并发执行累加操作不超过10亿次时,速度会比串行执行累加操作要慢。那么,为什么并发执行的速度会比串行慢呢?这是因为线程有创建和上下文切换的开销。

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。
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