while循環&CPU占用率高問題深入分析與解決方案

        直接上一個工作中碰到的問題，另外一個系統開啟多線程調用我這邊的接口，然後我這邊會開啟多線程批量查詢第三方接口并且傳回給調用方。使用的是兩三年前别人遺留下來的方法，放到線上後發現确實是可以正常取到結果，但是一旦調用，CPU占用就直接100%(部署環境是win server伺服器)。是以檢視了下相關的老代碼并使用JProfiler檢視發現是在某個while循環的時候有問題。具體項目代碼就不貼了，類似于下面這段代碼。

 
 while(flag) {       
      
 //your code;       
      
 }       
     
         

這裡的flag可能是true或者是某個需要很長時間才能跳出這個循環的條件。

      先放上我的解決方法，上述代碼修改如下：

 
 while(flag) {       
      
 Thread.sleep(1);       
      
 //your code;       
      
 }       
     
         

之後CPU占用率就正常了。其實這裡面涉及到的知識點很多，我在網上也查了一些資料，現在分析下這個問題的原因以及相關解決方案。

為什麼上述while循環會使得CPU占用率很高呢

這裡就涉及到了作業系統的知識：作業系統中，CPU競争有很多種政策。Unix系統使用的是時間片算法，而Windows則屬于搶占式的。

       在時間片算法中，所有的程序排成一個隊列。作業系統按照他們的順序，給每個程序配置設定一段時間，即該程序允許運作的時間。如果在 時間片結束時程序還在運作，則CPU将被剝奪并配置設定給另一個程序。如果程序在時間片結束前阻塞或結束，則CPU當即進行切換。排程程 序所要做的就是維護一張就緒程序清單，，當程序用完它的時間片後，它被移到隊列的末尾。

       所謂搶占式作業系統，就是說如果一個程序得到了 CPU 時間，除非它自己放棄使用 CPU ，否則将完全霸占 CPU 。是以可以看出，在搶 占式作業系統中，作業系統假設所有的程序都是“人品很好”的，會主動退出 CPU 。在搶占式作業系統中，假設有若幹程序，作業系統會根據他們的優先級、饑餓時間（已經多長時間沒有使用過 CPU 了），給他們算出一 個總的優先級來。作業系統就會把 CPU 交給總優先級最高的這個程序。當程序執行完畢或者自己主動挂起後，作業系統就會重新計算一 次所有程序的總優先級，然後再挑一個優先級最高的把

CPU 控制權交給他。

       我們用分蛋糕的場景來描述這兩種算法。假設有源源不斷的蛋糕（源源不斷的時間），一副刀叉（一個CPU），10個等待吃蛋糕的人（10 個程序）。

      如果是 Unix作業系統來負責分蛋糕，那麼他會這樣定規矩：每個人上來吃 1 分鐘，時間到了換下一個。最後一個人吃完了就再從頭開始。于是，不管這10個人是不是優先級不同、饑餓程度不同、飯量不同，每個人上來的時候都可以吃 1 分鐘。當然，如果有人本來不太餓，或者飯量小，吃了30秒鐘之後就吃飽了，那麼他可以跟作業系統說：我已經吃飽了（挂起）。于是作業系統就會讓下一個人接着來。

如果是 Windows 作業系統來負責分蛋糕的，那麼場面就很有意思了。他會這樣定規矩：我會根據你們的優先級、饑餓程度去給你們每個人計算一個優先級。優先級最高的那個人，可以上來吃蛋糕——吃到你不想吃為止。等這個人吃完了，我再重新根據優先級、饑餓程度來計算每個人的優先級，然後再分給優先級最高的那個人。

      這樣看來，這個場面就有意思了——可能有些人是PPMM，是以具有高優先級，于是她就可以經常來吃蛋糕。可能另外一個人是個醜男，而去很ws，是以優先級特别低，于是好半天了才輪到他一次（因為随着時間的推移，他會越來越饑餓，是以算出來的總優先級就會越來越高，是以總有一天會輪到他的）。而且，如果一不小心讓一個大胖子得到了刀叉，因為他飯量大，可能他會霸占着蛋糕連續吃很久很久，導緻旁邊的人在那裡咽口水。。。

     而且，還可能會有這種情況出現：作業系統現在計算出來的結果，5号PPMM總優先級最高，而且高出别人一大截。是以就叫5号來吃蛋糕。5号吃了一小會兒，覺得沒那麼餓了，于是說“我不吃了”（挂起）。是以作業系統就會重新計算所有人的優先級。因為5号剛剛吃過，是以她的饑餓程度變小了，于是總優先級變小了；而其他人因為多等了一會兒，饑餓程度都變大了，是以總優先級也變大了。不過這時候仍然有可能5号的優先級比别的都高，隻不過現在隻比其他的高一點點——但她仍然是總優先級最高的啊。是以作業系統就會說：5号mm上來吃蛋糕……（5号mm心裡郁悶，這不剛吃過嘛……人家要減肥……誰叫你長那麼漂亮，獲得了那麼高的優先級）。

相關的解決方案及分析：

除了這裡使用的Thread.sleep(1)，相關的還有Thread.sleep(0) Thread.yeild()

Thread.Sleep 函數是幹嗎的呢？還用剛才的分蛋糕的場景來描述。上面的場景裡面，5号MM在吃了一次蛋糕之後，覺得已經有8分飽了，她覺得在未來的半個小時之内都不想再來吃蛋糕了，那麼她就會跟作業系統說：在未來的半個小時之内不要再叫我上來吃蛋糕了。這樣，作業系統在随後的半個小時裡面重新計算所有人總優先級的時候，就會忽略5号mm。Sleep函數就是幹這事的，他告訴作業系統“在未來的多少毫秒内我不參與CPU競争”。

現在有兩個問題：

1.如果我調用一下 Thread.sleep(1000) ，一秒後，這個線程會 不會被喚醒？

2.Thread.sleep(0) 。既然是 sleep 0 毫秒，那麼他跟去掉這句代碼相比，有什麼差別？

       對于第一個問題，答案是：不一定。因為你隻是告訴作業系統：在未來的1000毫秒内我不想再參與到CPU競争。那麼1000毫秒過去之後，這時候也許另外一個線程正在使用CPU，那麼這時候作業系統是不會重新配置設定CPU的，直到那個線程挂起或結束；況且，即使這個時候恰巧輪到作業系統進行CPU 配置設定，那麼目前線程也不一定就是總優先級最高的那個，CPU還是可能被其他線程搶占去。

       與此相似的，Thread有個Resume函數，是用來喚醒挂起的線程的。好像上面所說的一樣，這個函數隻是“告訴作業系統我從現在起開始參與CPU競争了”，這個函數的調用并不能馬上使得這個線程獲得CPU控制權。

       對于第二個問題，答案是：有，而且差別很明顯。假設我們剛才的分蛋糕場景裡面，有另外一個PPMM 7号，她的優先級也非常非常高（因為非常非常漂亮），是以作業系統總是會叫道她來吃蛋糕。而且，7号也非常喜歡吃蛋糕，而且飯量也很大。不過，7号人品很好，她很善良，她沒吃幾口就會想：如果現在有别人比我更需要吃蛋糕，那麼我就讓給他。是以，她可以每吃幾口就跟作業系統說：我們來重新計算一下所有人的總優先級吧。不過，作業系統不接受這個建議——因為作業系統不提供這個接口。于是7号mm就換了個說法：“在未來的0毫秒之内不要再叫我上來吃蛋糕了”。這個指令作業系統是接受的，于是此時作業系統就會重新計算大家的總優先級——注意這個時候是連7号一起計算的，因為“0毫秒已經過去了”嘛。是以如果沒有比7号更需要吃蛋糕的人出現，那麼下一次7号還是會被叫上來吃蛋糕。

       是以，Thread.Sleep(0)的作用，就是“觸發作業系統立刻重新進行一次CPU競争”。競争的結果也許是目前線程仍然獲得CPU控制權，也許會換成别的線程獲得CPU控制權。這也是我們在大循環裡面經常會寫一句Thread.sleep(0) ，因為這樣就給了其他線程比如Paint線程獲得CPU控制權的權力，這樣界面就不會假死在那裡。末了說明一下，雖然上面提到說“除非它自己放棄使用 CPU ，否則将完全霸占

CPU”，但這個行為仍然是受到制約的——作業系統會監控你霸占CPU的情況，如果發現某個線程長時間霸占CPU，會強制使這個線程挂起，是以在實際上不會出現“一個線程一直霸占着 CPU 不放”的情況。至于我們的大循環造成程式假死，并不是因為這個線程一直在霸占着CPU。實際上在這段時間作業系統已經進行過多次CPU競争了，隻不過其他線程在獲得CPU控制權之後很短時間内馬上就退出了，于是就又輪到了這個線程繼續執行循環，于是就又用了很久才被作業系統強制挂起。是以反應到界面上，看起來就好像這個線程一直在霸占着CPU一樣。

Thread.Yeild()

        Yield 的中文翻譯為 “放棄”，這裡意思是主動放棄目前線程的時間片，并讓作業系統排程其它就緒态的線程使用一個時間片。但是如果調用 Yield，隻是把目前線程放入到就緒隊列中，而不是阻塞隊列。如果沒有找到其它就緒态的線程，則目前線程繼續運作。

優勢：比 Thread.Sleep(0) 速度要快，可以讓低于目前優先級的線程得以運作。可以通過傳回值判斷是否成功排程了其它線程。

劣勢：隻能排程同一個處理器的線程，不能排程其它處理器的線程。當沒有其它就緒的線程，會一直占用 CPU 時間片，造成 CPU 100%占用率

Thread.sleep(0)

　　sleep 的意思是告訴作業系統自己要休息 n 毫秒，這段時間就讓給另一個就緒的線程吧。當 n=0 的時候，意思是要放棄自己剩下的時間片，但是仍然是就緒狀态，其實意思和 Yield 有點類似。但是 sleep(0) 隻允許那些優先級相等或更高的線程使用目前的CPU，其它線程隻能等着挨餓了。如果沒有合适的線程，那目前線程會重新使用 CPU 時間片。

優勢：相比 Yield，可以排程任何處理器的線程使用時間片。

劣勢：隻能排程優先級相等或更高的線程，意味着優先級低的線程很難獲得時間片，很可能永遠都調用不到。當沒有符合條件的線程，會一直占用 CPU 時間片，造成 CPU 100%占用率。

Thread.sleep(1)

       該方法使用 1 作為參數，這會強制目前線程放棄剩下的時間片，并休息 1 毫秒（因為不是實時作業系統，時間無法保證精确，一般可能會滞後幾毫秒或一個時間片）。但是以的好處是，所有其它就緒狀态的線程都有機會競争時間片，而不用在乎優先級。

優勢：可以排程任何處理器的線程使用時間片。無論有沒有符合的線程，都會放棄 CPU 時間，是以 CPU 占用率較低。

劣勢：相比 Thread.sleep(0)，因為至少會休息一定時間，是以速度要更慢。

一般我會用Thread.sleep(1)

參考了兩篇文章，寫得很好，在這裡貼出來。

了解Thread.sleep()函數

Thread.Sleep(0) vs Sleep(1) vs Yeild