什么是上下文切换?

左手的ㄟ右手 2024-03-22 17:34 18阅读 0赞

### 上下文切换 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">上下文切换</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">即使是单核处理器也支持多线程执行代码，<code>CPU通过给每个线程分配CPU时间片</code>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<code>几十毫秒</code>（ms）。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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<code>任务的状态</code>，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<code>从保存到再加载的过程就是一次上下文切换</code>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">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<code>会影响多线程的执行速度</code>。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 多线程一定快吗 ###

![在这里插入图片描述][30a8638b322f4199abaf0821359b5024.png_pic_center]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">从上表可以发现，当并发执行累加操作不超过<code>百万次</code>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<code>创建</code>和<code>上下文切换</code>的开销。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">上下文每1秒切换<code>1000</code>多次。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 如何减少上下文切换 ###

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 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">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。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">·<code>无锁并发编程</code>。<strong>多线程竞争锁时，会引起上下文切换</strong>，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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·<code>CAS算法</code>。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·<code>使用最少线程</code>。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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">·<code>协程</code>：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。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明

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### 线程会从 `占用CPU状态` 中退出的场景 ###

1.  主动让出 *`CPU`*，比如调用了 *`sleep()`* ，*`wait()`* 等；
2.  `时间片` 用完，因为操作系统要防止一个线程或者进程长时间占用CPU导致其他线程或者进程`饿死`；
3.  调用了 `阻塞类型的系统中断`，比如 `请求IO`，`线程被阻塞`；
    
    > **中断的概念**  
    > 中断是指程序执行过程中，遇到急需处理的事件时，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完成后再返回原程序被中断处或调度其他程序执行的过程
4.  `被终止` 或 `结束运行`；

### 其中 **1，2，3** 都会发生 `线程切换` ###

[30a8638b322f4199abaf0821359b5024.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/18/2c38bb4ae5d544d5962386701134c748.png