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,以及受限于硬件和软件的资源限制问题,本文要研究的是上下文切换的问题。
什么是上下文切换
即使是单核CPU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时同时执行的,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,可以再次加载这个任务的状态, 从任务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籍时,发现某个单词不认识,于是便打开中英文词典,但是在放下英文书籍之前,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,同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。
上下文切换代码测试
下面的代码演示串行和兵法执行并累加操作的时间:
public class ContextSwitchTest { private static final long count = 10000;
public static void main(String[] args) throws Exception { concurrency(); serial(); }
private static void concurrency() throws Exception { long start = System.currentTimeMillis(); Thread thread = new Thread(new Runnable(){ public void run() { int a = 0; for (int 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 (int i = 0; i < count; i++) { b --; } long time = System.currentTimeMillis() - start; System.out.println("Serial:" + time + "ms, b = " + b + ", a = " + a); } }
修改上面的count值,即修改循环次数,看一下串行运行和并发运行的时间测试结果:
从表中可以看出,100次并发执行累加以下,串行执行和并发执行的运行速度总体而言差不多,1万次以下串行执行甚至还可以说是略快。为什么并发执行的速度会比串行慢呢?这就是因为 线程有创建和上下文切换的开销 。
引起线程上下文切换的原因
对于我们经常使用的抢占式操作系统而言,引起线程上下文切换的原因大概有以下几种:
上下文切换次数查看
在Linux系统下可以使用vmstat命令来查看上下文切换的次数,下面是利用vmstat查看上下文切换次数的示例:
CS(Context Switch)表示上下文切换的次数,从图中可以看到,上下文每秒钟切换500~600次左右。
如果要查看上下文切换的时长,可以利用Lmbench3,这是一个性能分析工具。
如何减少上下文切换
既然上下文切换会导致额外的开销,因此减少上下文切换次数便可以提高多线程程序的运行效率。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。
【毒鸡汤: 我相信乔布斯说的,只有那些疯狂到认为自己可以改变世界的人才能真正地改变世界。面对压力,我可以挑灯夜战、不眠不休;面对困难,我愿意迎难而上、永不退缩。 】
原文链接:https://blog.csdn.net/dcm19920115/article/details/91409910