java八股文面试[多线程]——上下文切换

阳光穿透心脏的1/2处 2024-03-08 04:03 82阅读 0赞

###### 什么是线程上下文切换 ######

多线程的**上下文切换**：是指 CPU **控制权**由一个已经正在运行的线程切换到另外一个**就绪并等待**获取 CPU 执行权的线程的过程。CPU给每个线程分配CPU时间片(机会)，多线程创建并切完到另一个线程的过程，就是上下文切换。

上下文切换 (**context switch**) , 其实际含义是**任务切换**, 或者**CPU寄存器切换**。当多任务内核决定运行另外的任务时, 它保存正在运行任务的当前状态, 也就是CPU寄存器中的全部内容。这些内容被保存在任务自己的**堆栈中**, 入栈工作完成后就把下一个将要运行的任务的当前状况从该任务的栈中重新装入CPU寄存器, 并开始下一个任务的运行, 这一过程就是context switch。

线程**上下文**是指某一时间点 CPU 寄存器和[程序计数器][Link 1]的内容，CPU通过**时间片分配算法**来循环执行任务（线程），因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行。

时间片（**timeslice**）又称为“量子（**quantum**）”或“处理器片（**processor slice**）”是**分时操作系统**分配给每个正在运行的进程微观上的一段CPU时间（在抢占内核中是：从进程开始运行直到被抢占的时间）。现代操作系统（如：Windows、Linux、Mac OS X等）允许同时运行多个进程 —— 例如，你可以在打开音乐播放器听音乐的同时用浏览器浏览网页并下载文件。事实上，虽然一台计算机通常可能有多个CPU，但是**同一个CPU永远不可能真正地同时运行多个任务**。在只考虑一个CPU的情况下，这些进程“看起来像”同时运行的，实则是利用了时间片轮转的方式轮番穿插地运行，由于时间片通常很短（在Linux上为5ms－800ms），而这一行为用户**不会感觉到**。

**时间片**：是指 CPU**分配**给每个线程的执行时间段。

CPU为了能够执行多个线程，需要不停的切换执行的线程，这样才能使所有线程在一段时间内都有被执行的机会。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。

###### 上下文切换的发生 ######

*  线程切换，同一进程中的两个线程之间的切换
 *  进程切换，两个进程之间的切换
 *  模式切换，在给定线程中，用户模式和内核模式的切换
 *  地址空间切换，将虚拟内存切换到物理内存

###### 上下文切换过程 ######

CPU切换前把当前**任务的状态**保存下来，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，然后加载下一任务的状态并执行。任务的**状态保存及再加载**, 这段**过程**就叫做上下文切换。

每个线程都有一个**程序计数器**（记录要执行的下一条指令），一组**寄存器**（保存当前线程的工作变量），**堆栈**（记录执行历史，其中每一帧保存了一个已经调用但未返回的过程）。

寄存器 是 CPU 内部的数量较少但是速度很快的内存（与之对应的是 CPU 外部相对较慢的 RAM 主内存）。寄存器通过对常用值（通常是运算的中间值）的快速访问来提高计算机程序运行的速度。

程序计数器是一个专用的寄存器，用于表明指令序列中 CPU 正在执行的位置，存的值为正在执行的指令的位置或者下一个将要被执行的指令的位置。

挂起当前任务（线程/进程），将这个任务在 CPU 中的状态（上下文）存储于内存中的某处  
恢复一个任务（线程/进程），在内存中检索下一个任务的上下文并将其在 CPU 的寄存器中恢复  
跳转到程序计数器所指向的位置（即跳转到任务被中断时的代码行），以恢复该进程在程序中

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###### 线程上下文切换的类型 ######

**让步式/协同式**上下文切换：指某一线程执行完后**主动通知**系统切换到另一线程上执行，执行线程主动释放CPU，与锁竞争严重程度成正比，可通过**减少锁竞争**来避免；线程的执行时间由线程本身控制，线程切换可以预知，不存在多线程同步问题，但它有一个致命弱点：如果一个线程编写有问题，运行到一半就一直**堵塞**，那么可能导致整个系统崩溃。

**抢占式**上下文切换：每条线程执行的时间、线程的切换都由系统控制，线程因分配的时间片用尽而**被迫放弃**CPU或者被其他**优先级更高**的线程所抢占，（可能每条线程都分同样的执行时间片，也可能是某些线程执行的时间片较长，甚至某些线程得不到执行的时间片。）一般由于**线程数大于CPU可用核心数引起**，可通过调整线程数，适当减少线程数来避免。

Java中线程会按**优先级分配CPU时间片**运行，且优先级越高越优先执行，但优先级高并不代表能独自占用执行时间片，可能是优先级高得到越多的执行时间片，反之，优先级低的分到的执行时间少但不会分配不到执行时间。在这种机制下，一个线程的堵塞不会导致整个进程堵塞。

###### 线程上下文切换的原因 ######

当前执行任务（线程）的**时间片用完**之后，系统CPU正常调度下一个任务中断处理，在中断处理中，其他程序”打断”了当前正在运行的程序。当CPU接收到中断请求时，会在正在运行的程序和发起中断请求的程序之间进行一次上下文切换。中断分为**硬件中断**和**软件中断**，软件中断包括因为**IO阻塞**、**未抢到资源或**者**用户代码**等原因，线程被挂起。  
 **用户态切换**，对于一些操作系统，当进行用户态切换时也会进行一次上下文切换，虽然这不是必须的。  
多个任务抢占锁资源，在多任务处理中，CPU会在不同程序之间来回切换，每个程序都有相应的处理时间片，CPU在两个时间片的间隔中进行上下文切换。

###### 线程上下文切换查看命令 ######

Linux系统下可以使用**vmstat**命令来查看上下文切换的次数， 其中**cs列**就是指上下文切换的数目（一般情况下, 空闲系统的上下文切换**每秒大概在1500以下**）。  
![654f031826b84eadb9bcf46e0faeffcb.png][]

###### 线程上下文切换存在的问题 ######

上下文切换会**导致额外的开销**，常常表现为高并发执行时**速度会慢串行**，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。

**直接消耗**：指的是CPU**寄存器需要保存和加载**, 系统**调度器的代码**需要执行, **TLB**实例需要重新加载, CPU 的**pipeline**需要**刷掉**。

**间接消耗**：指的是多核的cache之间得**共享数据**, 间接消耗对于程序的影响要看线程工作区操作数据的大小。

###### 线程上下文切换优化 ######

1.**无锁**并发编程：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。  
2.CAS算法：Java的**Atomic**包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。  
3.使用最少线程：**避免创建不必要的线程**，比如，任务量很小，使用多线程处理，就容易造成线程等待。  
4.**协程**：**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。

**合理设置线程数目**既可以最大化利用CPU，又可以减少线程切换的开销。

高并发，低耗时的情况，建议少线程。  
**低并发，高耗时**的情况：建议多线程。  
高并发高耗时，要分析任务类型、**增加排队、加大线程数**。

######    思考：多线程的速度一定比单线程快吗？ ######

这么问也就说明答案是**否定**的，而这道题的精髓就在于你能不能说出**上下文切换**这几个字。

代码实战：

package com.angyan.tool.flink.demo;
     
    public class ThreadConcurrentTest {
     
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //  并发
            concurrent(10000L);
            // 串行
            serial(10000L);
            //  并发
            concurrent(100000L);
            // 串行
            serial(100000L);
            //  并发
            concurrent(1000000L);
            // 串行
            serial(1000000L);
            //  并发
            concurrent(10000000L);
            // 串行
            serial(10000000L);
            //  并发
            concurrent(100000000L);
            // 串行
            serial(100000000L);
        }
     
        /**
         * 并发执行
         * @param count 测试数量
         */
        private static void concurrent(Long count) throws Exception {
            long start = System.currentTimeMillis();
            Thread thread = new Thread(() -> {
                int a = 0;
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    a += 5;
                }
            });
            thread.start();
            Thread thread2 = new Thread(() -> {
                int b = 0;
                for (long i = 0; i < count; i++) {
                    b--;
                }
            });
     
            thread2.start();
            //阻塞主线程，等待thread和thread2线程执行完再往下执行
            thread.join();
            thread2.join();
            long time = System.currentTimeMillis() - start;
            System.out.print("Concurrency count：" + count + " , time：" + time + "ms     ");
        }
     
        /**
         * 串行执行
         * @param count 测试数量
         */
        private static void serial(Long count) {
            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 count：" + count + " , time： " + time + "ms");
        }
    }

![9bec6750037b4ac7bb345f5f479f65c4.png][]

**可以看出：并不是并发执行，速度就一定快。**

知识来源：

[什么是线程的上下文切换\_线程上下文切换\_墨子白的博客-CSDN博客][-CSDN]

[线程上下文切换\_大林子先森的博客-CSDN博客][-CSDN 1]

[Link 1]: https://so.csdn.net/so/search?q=%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E8%AE%A1%E6%95%B0%E5%99%A8&spm=1001.2101.3001.7020
[8a1ab4d7932f46abb49077e37c8ccaaa.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/08/75eea9993ceb44f6b245917352fd7766.png
[654f031826b84eadb9bcf46e0faeffcb.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/08/81ae44b4b3be4a1ba46be1ca22ce3a97.png
[9bec6750037b4ac7bb345f5f479f65c4.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/08/443ca262b6ee4d25b608ce62b148be80.png
[-CSDN]: https://blog.csdn.net/tszc95/article/details/129851199
[-CSDN 1]: https://blog.csdn.net/liulianglin/article/details/126521028