并发编程挑战之上下文切换

古城微笑少年丶 2022-03-21 13:07 220阅读 0赞

摘记自：《java 并发编程的艺术》  
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，以及受限手硬件和软件的资源限制问题**。

**上下文切换**  
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).  
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. 于是便打开字典，但是在放下英文技术书之前，大脑必须先记件这本书读到了哪里， 等查完单词之后能够能续读这本书.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。

package com;
    
    public class ConcurrencyTest {
        private static final long count=100001;
    
        public static void main(String[] args)throws InterruptedException{
            concurrency();
            serial();
        }
    
        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--;
            }
            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(long i=0;i<count;i++){
                b--;
            }
            long time=System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("serial:"+time+"ms,b="+b+",a="+a);
        }
    
    }

测试结果

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3Nzc0MTcx_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
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。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。

那么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。WAITING的线程少了，系统上下文切换的次数就会少，因为每一次从WAITTING到RUNNABLE都会进行一次上下文的切换。
 *  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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