多執行緒上下文切換

前言

併發程式設計的目的是為了讓程式執行得更快，但是並不是啟動更多的執行緒就能讓程式最大限度地併發執行。在進行併發程式設計時，如果希望通過多執行緒執行任務讓程式執行得更快，會面臨非常多的挑戰，比如上下文切換的問題、死鎖的問題，以及受限於硬體和軟體的資源限制問題，本文要研究的是上下文切換的問題。

什麼是上下文切換

即使是單核cpu也支援多執行緒執行**，cpu通過給每個執行緒分配cpu時間片來實現這個機制。時間片是cpu分配給各個執行緒的時間，因為時間片非常短，所以cpu通過不停地切換執行緒執行，讓我們感覺多個執行緒時同時執行的，時間片一般是幾十毫秒（ms）。

cpu通過時間片分配演算法來迴圈執行任務，當前任務執行乙個時間片後會切換到下乙個任務。但是，在切換前會儲存上乙個任務的狀態，以便下次切換回這個任務時，可以再次載入這個任務的狀態，從任務儲存到再載入的過程就是一次上下文切換。

這就像我們同時讀兩本書，當我們在讀一本英文的技術書籍時，發現某個單詞不認識，於是便開啟中英文詞典，但是在放下英文書籍之前，大腦必須先記住這本書讀到了多少頁的第多少行，等查完單詞之後，能夠繼續讀這本書。這樣的切換是會影響讀書效率的，同樣上下文切換也會影響多執行緒的執行速度。

上下文切換**測試

1
public
class
contextswitchtest210
11private
static
void concurrency() throws
exception
1222}23
});24
thread.start();
25int b = 0;
26for (long i = 0; i < count; i++)
2730
thread.join();
31long time = system.currenttimemillis() -start;
32         system.out.println("concurrency：" + time + "ms, b = " +b);33}
3435
private
static
void
serial()
3643
int b = 0;
44for (int i = 0; i < count; i++)
4548
long time = system.currenttimemillis() -start;
49         system.out.println("serial：" + time + "ms, b = " + b + ", a = " +a);50}
51 }

修改上面的count值，即修改迴圈次數，看一下序列執行和併發執行的時間測試結果：

迴圈次數序列執行耗時/ms併發執行耗時/ms序列和併發對比

1億78

50併發快約0.5倍

1000萬106

併發快約0.5~1倍

100萬32

差不多10萬22

差不多1萬01

差不多，十幾次執行下來，總體而言序列略快

從表中可以看出，100次併發執行累加以下，序列執行和併發執行的執行速度總體而言差不多，1萬次以下序列執行甚至還可以說是略快。為什麼併發執行的速度會比序列慢呢？這就是因為執行緒有建立和上下文切換的開銷。

引起執行緒上下文切換的原因

對於我們經常使用的搶占式作業系統而言，引起執行緒上下文切換的原因大概有以下幾種：

當前執行任務的時間片用完之後，系統cpu正常排程下乙個任務

當前執行任務碰到io阻塞，排程器將此任務掛起，繼續下一任務

多個任務搶占鎖資源，當前任務沒有搶到鎖資源，被排程器掛起，繼續下一任務

使用者**掛起當前任務，讓出cpu時間

硬體中斷

上下文切換次數檢視

在linux系統下可以使用vmstat命令來檢視上下文切換的次數，下面是利用vmstat檢視上下文切換次數的示例：

cs（context switch）表示上下文切換的次數，從圖中可以看到，上下文每秒鐘切換500~600次左右。

如果要檢視上下文切換的時長，可以利用lmbench3，這是乙個效能分析工具。

如何減少上下文切換

既然上下文切換會導致額外的開銷，因此減少上下文切換次數便可以提高多執行緒程式的執行效率。減少上下文切換的方法有無鎖併發程式設計、cas演算法、使用最少執行緒和使用協程。

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