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Java實現(xiàn)多線程的上下文切換

更新時間：2020年09月30日 10:41:12 作者：拉里·佩奇

這篇文章主要介紹了Java實現(xiàn)多線程的上下文切換操作，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧

對于上下文切換不同的操作系統(tǒng)模式也不盡相同，這里我們只討論Unix系統(tǒng)，在我之前的文章中提到過windows的搶占式，這里就不在贅述。

無論是單核還是多核CPU都是支持多線程代碼的，CPU通過給每個線程分配CPU時間片來實這個機(jī)制。

時間片是CPU分配給各個線程的時間，因為時間片非常短，所以CPU通過不停地切換線程執(zhí)行，讓我們感覺多個線程是同時執(zhí)行的，時間片一般是幾十毫秒（ms）

CPU通過時間片分配算法來循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行一個時間片后會切換到下一個任務(wù)。但是，在切換前會保存上一個任務(wù)的狀態(tài)，以便下次切換回這個任務(wù)時，可以再加載這個任務(wù)的狀態(tài)。

所以任務(wù)從保存到再加載的過程就是一次上下文切換。很明顯上下文切換會影響多線程的執(zhí)行速度。

如何減少上下文切換

減少上下文切換的方法有

1、無鎖并發(fā)編程。

多線程競爭鎖時，會引起上下文切換，所以多線程處理數(shù)據(jù)時，可以用一

些辦法來避免使用鎖，如將數(shù)據(jù)的ID按照Hash算法取模分段，不同的線程處理不同段的數(shù)據(jù)。

2、CAS算法。

Java的Atomic包使用CAS（compare and swap）算法來更新數(shù)據(jù)，而不需要加鎖。

3、使用最少線程。避免創(chuàng)建不需要的線程，比如任務(wù)很少，但是創(chuàng)建了很多線程來處理，這

樣會造成大量線程都處于等待狀態(tài)。

4、協(xié)程：在單線程里實現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，并在單線程里維持多個任務(wù)間的切換。

減少上下文切換的例子

下面我們看一個通過減少線上大量WAITING的線程，來減少上下文切換次數(shù)的例子：

使用jstack命令dump線程信息，看看pid為3117的進(jìn)程里的線程都在做什么

sudo -u admin /opt/java/bin/jstack 31177 > /home/java/dump17

統(tǒng)計所有線程分別處于什么狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)300多個線程處于WAITING（onobjectmonitor）狀態(tài)

grep java.lang.Thread.State dump17 | awk '{print $2$3$4$5}'
| sort | uniq -c
39 RUNNABLE
21 TIMED_WAITING(onobjectmonitor)
6 TIMED_WAITING(parking)
51 TIMED_WAITING(sleeping)
305 WAITING(onobjectmonitor)
3 WAITING(parking)

打開dump文件查看處于WAITING（onobjectmonitor）的線程在做什么。發(fā)現(xiàn)這些線程基本全是JBOSS的工作線程，在await。說明JBOSS線程池里線程接收到的任務(wù)太少，大量線程都閑著。

"http-0.0.0.0-7001-97" daemon prio=10 tid=0x000000004f6a8000 nid=0x555e in
Object.wait() [0x0000000052423000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000007969b2280> (a org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint$Worker)
at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
at org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint$Worker.await(AprEndpoint.java:1464)
- locked <0x00000007969b2280> (a org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint$Worker)
at org.apache.tomcat.util.net.AprEndpoint$Worker.run(AprEndpoint.java:1489)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)

減少JBOSS的工作線程數(shù)，找到JBOSS的線程池配置信息，將maxThreads降到100

<maxThreads="250" maxHttpHeaderSize="8192"
emptySessionPath="false" minSpareThreads="40" maxSpareThreads="75"
maxPostSize="512000" protocol="HTTP/1.1"
enableLookups="false" redirectPort="8443" acceptCount="200" bufferSize="16384"
connectionTimeout="15000" disableUploadTimeout="false" useBodyEncodingForURI= "true">

重啟JBOSS，再dump線程信息，然后統(tǒng)計WAITING（onobjectmonitor）的線程，發(fā)現(xiàn)減少了175個。

WAITING的線程少了，系統(tǒng)上下文切換的次數(shù)就會少，因為每一次從WAITTING到RUNNABLE都會進(jìn)行一次上下文的切換。

讀者也可以使用vmstat命令測試一下。

grep java.lang.Thread.State dump17 | awk '{print $2$3$4$5}'
| sort | uniq -c
44 RUNNABLE
22 TIMED_WAITING(onobjectmonitor)
9 TIMED_WAITING(parking)
36 TIMED_WAITING(sleeping)
130 WAITING(onobjectmonitor)
1 WAITING(parking)

為什么要減少上下文切換

當(dāng)CPU從執(zhí)行一個線程切換到執(zhí)行另外一個線程的時候，它需要先存儲當(dāng)前線程的本地的數(shù)據(jù)，程序指針等，然后載入另一個線程的本地數(shù)據(jù)，程序指針等，最后才開始執(zhí)行。

這種切換稱為“上下文切換”(“context switch”)。

CPU會在一個上下文中執(zhí)行一個線程，然后切換到另外一個上下文中執(zhí)行另外一個線程。上下文切換并不廉價,是比較耗時的

以上這篇Java實現(xiàn)多線程的上下文切換就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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