Java多线程的上下文切换

时间：2020-11-26 21:18:26

对于上下文切换不同的操作系统模式也不尽相同，这里我们只讨论Unix系统，在我之前的文章中提到过windows的抢占式，这里就不在赘述。
无论是单核还是多核CPU都是支持多线程代码的，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实这个机制。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。 很明显上下文切换会影响多线程的执行速度。

如何减少上线文切换

减少上下文切换的方法有
1、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。
2、CAS算法。
Java的Atomic包使用CAS（compare and swap）算法来更新数据，而不需要加锁。
3、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。
4、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。

减少上下文切换的例子

下面我们看一个通过减少线上大量WAITING的线程，来减少上下文切换次数的例子：
使用jstack命令dump线程信息，看看pid为3117的进程里的线程都在做什么

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

统计所有线程分别处于什么状态，发现300多个线程处于WAITING（onobjectmonitor）状态

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)

打开dump文件查看处于WAITING（onobjectmonitor）的线程在做什么。发现这些线程基本全是JBOSS的工作线程，在await。说明JBOSS线程池里线程接收到的任务太少，大量线程都闲着。

"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)

减少JBOSS的工作线程数，找到JBOSS的线程池配置信息，将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">

重启JBOSS，再dump线程信息，然后统计WAITING（onobjectmonitor）的线程，发现减少了175个。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。读者也可以使用vmstat命令测试一下。

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)

为什么要减少上下文切换

当CPU从执行一个线程切换到执行另外一个线程的时候，它需要先存储当前线程的本地的数据，程序指针等，然后载入另一个线程的本地数据，程序指针等，最后才开始执行。这种切换称为“上下文切换”(“context switch”)。CPU会在一个上下文中执行一个线程，然后切换到另外一个上下文中执行另外一个线程。上下文切换并不廉价,是比较耗时的
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