并发编程挑战之上下文切换

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

• 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。