前言
本文來自方騰飛老師《Java並發編程的藝術》第一章。
並發編程的目的是為了讓程序運行得更快，但是並不是啟動更多的線程就能讓程序最大限度地並發執行。在進行並發編程時，如果希望通過多線程執行任務讓程序運行得更快，會面臨非常多的挑戰，比如上下文切換的問題、死鎖的問題，以及受限於硬件和軟件的資源限制問題，本文要研究的是上下文切換的問題。
什么是上下文切換
即使是單核CPU也支持多線程執行代碼，CPU通過給每個線程分配CPU時間片來實現這個機制。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行，讓我們感覺多個線程時同時執行的，時間片一般是幾十毫秒（ms）。
CPU通過時間片分配算法來循環執行任務，當前任務執行一個時間片后會切換到下一個任務。但是，在切換前會保存上一個任務的狀態，以便下次切換回這個任務時，可以再次加載這個任務的狀態，從任務保存到再加載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，於是便打開中英文詞典，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，等查完單詞之后，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線程的執行速度。
上下文切換代碼測試
下面的代碼演示串行和並發執行並累加操作的時間：
1 public class ContextSwitchTest 2 { 3 private static final long count = 10000; 4
5 public static void main(String[] args) throws Exception 6 { 7 concurrency(); 8 serial(); 9 } 10
11 private static void concurrency() throws Exception 12 { 13 long start = System.currentTimeMillis(); 14 Thread thread = new Thread(new Runnable(){ 15 public void run() 16 { 17 int a = 0; 18 for (int i = 0; i < count; i++) 19 { 20 a += 5; 21 } 22 } 23 }); 24 thread.start(); 25 int b = 0; 26 for (long i = 0; i < count; i++) 27 { 28 b --; 29 } 30 thread.join(); 31 long time = System.currentTimeMillis() - start; 32 System.out.println("Concurrency：" + time + "ms, b = " + b); 33 } 34
35 private static void serial() 36 { 37 long start = System.currentTimeMillis(); 38 int a = 0; 39 for (long i = 0; i < count; i++) 40 { 41 a += 5; 42 } 43 int b = 0; 44 for (int i = 0; i < count; i++) 45 { 46 b --; 47 } 48 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，即修改循環次數，看一下串行運行和並發運行的時間測試結果：
| 循環次數 | 串行執行耗時/ms | 並發執行耗時/ms | 串行和並發對比 |
| 1億 | 78 | 50 | 並發快約0.5倍 |
| 1000萬 | 10 | 6 | 並發快約0.5~1倍 |
| 100萬 | 3 | 2 | 差不多 |
| 10萬 | 2 | 2 | 差不多 |
| 1萬 | 0 | 1 | 差不多，十幾次執行下來，總體而言串行略快 |
從表中可以看出，100次並發執行累加以下，串行執行和並發執行的運行速度總體而言差不多，1萬次以下串行執行甚至還可以說是略快。為什么並發執行的速度會比串行慢呢？這就是因為線程有創建和上下文切換的開銷。
引起線程上下文切換的原因
對於我們經常使用的搶占式操作系統而言，引起線程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后，系統CPU正常調度下一個任務
- 當前執行任務碰到IO阻塞，調度器將此任務掛起，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，被調度器掛起，繼續下一任務
- 用戶代碼掛起當前任務，讓出CPU時間
- 硬件中斷
上下文切換次數查看
在Linux系統下可以使用vmstat命令來查看上下文切換的次數，下面是利用vmstat查看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，上下文每秒鍾切換500~600次左右。
如果要查看上下文切換的時長，可以利用Lmbench3，這是一個性能分析工具。
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線程程序的運行效率。減少上下文切換的方法有無鎖並發編程、CAS算法、使用最少線程和使用協程。
- 無鎖並發編程。多線程競爭時，會引起上下文切換，所以多線程處理數據時，可以用一些辦法來避免使用鎖，如將數據的ID按照Hash取模分段，不同的線程處理不同段的數據
- CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法來更新數據，而不需要加鎖
- 使用最少線程。避免創建不需要的線程，比如任務很少，但是創建了很多線程來處理，這樣會造成大量線程都處於等待狀態
- 協程。在單線程里實現多任務的調度，並在單線程里維持多個任務間的切換