[TOC] ##### 一、CPU時間片 * CPU時間片即CPU分配給每個線程的執行時間段，稱作它的時間片。CPU時間片一般為幾十毫秒(ms)。 ##### 二、什么是上下文切換 CPU通過時間片段的算法來循環執行線程任務，而循環執行即每個線程允許運行的時間后的切換，而這種循環的切換使各個程序從表面上看是同時進行的。而切換時會保存之前的線程任務狀態，當切換到該線程任務的時候，會重新加載該線程的任務狀態。而這個從保存到加載的過程稱之為上下文切換。 * 若當前線程還在運行而時間片結束后，CPU將被剝奪并分配給另一個線程。 * 若線程在時間片結束前阻塞或結束，CPU進行線程切換。而不會造成CPU資源浪費。 ##### 三、上下文切換造成的影響 我們可以通過對比串聯執行和并發執行進行對比。 ~~~ private static final long count = 1000000; public static void main(String[] args) throws Exception { concurrency(); series(); } /** * 并發執行 * @throws Exception */ private static void concurrency() throws Exception { long start = System.currentTimeMillis(); //創建線程執行a+= Thread thread = new Thread(new Runnable() { public void run() { int a = 0; for (int i = 0; i < count; i++) { a += 1; } } }); //啟動線程執行 thread.start(); //使用主線程執行b--; int b = 0; for (long i = 0; i < count; i++) { b--; } //合并線程，統計時間 thread.join(); long time = System.currentTimeMillis() - start; System.out.println("Concurrency：" + time + "ms, b = " + b); } /** * 串聯執行 */ private static void series() { long start = System.currentTimeMillis(); int a = 0; for (long i = 0; i < count; i++) { a += 1; } 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); } ~~~ 通過修改循環次數,對比串行運行和并發運行的時間測試結果： | 循環次數 | 并發執行時間 | 串聯執行時間 | | --- | --- | --- | | 一百萬 | 2ms | 4ms | | 十萬 | 2ms | 2ms | | 一萬 | 1ms | 0ms | 通過數據的對比我們可以看出。在一萬以下的循環次數時，串聯的執行速度比并發的執行速度塊。是因為線程上下文切換導致額外的開銷。 在Linux系統下可以使用vmstat命令來查看上下文切換的次數，如果要查看上下文切換的時長，可以利用Lmbench3，這是一個性能分析工具。 #### 四、如何減少上下文切換導致額外的開銷 減少上下文切換次數便可以提高多線程的運行效率。減少上下文切換的方法有無鎖并發編程、CAS算法、避免創建過多的線程和使用協程。 * 無鎖并發編程.當任何特定的運算被阻塞的時候，所有CPU可以繼續處理其他的運算。換種方式說，在無鎖系統中，當給定線程被其他線程阻塞的時候，所有CPU可以不停的繼續處理其他工作。無鎖算法大大增加系統整體的吞吐量，因為它只偶爾會增加一定的交易延遲。大部分高端數據庫系統是基于無鎖算法而構造的，以滿足不同級別。 * CAS算法。Java提供了一套原子性操作的數據類型（java.util.concurrent.atomic包下），使用CAS算法來更新數據，不需要加鎖。如:AtomicInteger、AtomicLong等。 * 避免創建過多的線程。如任務量少時，盡可能減少創建線程。對于某個時間段任務量很大的這種情況，我們可以通過線程池來管理線程的數量，避免創建過多線程。 * 協程：即協作式程序，其思想是，一系列互相依賴的協程間依次使用CPU，每次只有一個協程工作，而其他協程處于休眠狀態。如：JAVA中使用wait和notify來達到線程之間的協同工作。 參考： 《Java并發編程的藝術》