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引言
並發編程
並發編程的目的是為了改善串行程序執行慢問題，但是，並不是啟動更多線程就能夠讓程序執行更快。因為在並發時，容易受到軟硬件資源等限制，從而導致上下文切換慢，頻繁的上下文切換導致並發程序執行起來反而不如串行程序，違背了讓程序運行得更快一些這個最初的夢想。
單核和多核CPU
在介紹上下文切換前，我們先來了解一下計算機CPU的單核和多核概念。
最開始的單核CPU比較死腦，在通電時CPU就執行存儲塊中的指定地址的指令，如果想要執行內存塊其他地方的代碼必須調整總線位置才可以執行，這就阻塞程序了，期間只能執行某一個程序。后來，英特爾演進了一種叫做時間軸的工作方式，增加晶體管，CPU工作效率提高，並基於時鍾電路控制CPU跳轉到指定地址，借助操作系統來利用時鍾電路控制CPU的跳轉。
多核集成在一個芯片里，由多個CPU組成，多核通過內部總線交互和共享數據，其中會有一個核專門分配給操作系統用，由操作系統分配資源及控制CPU執行程序。
windows查看核數
打開命令行模式，可以利用Win+r鍵打開運行，然后輸入cmd。
除了直接使用systeminfo命令，下面我們介紹wmic命令來查看計算機相關信息。
- 輸入
wmic，進入命令行環境 cpu get Name：查看計算機的cpu信息cpu get NumberOfCores：查看計算機的cpu核數cpu get NumberOfLogicalProcessors：查看計算機的cpu線程數
C:\Users\Lenovo>wmic
wmic:root\cli>cpu get Name
Name
Intel(R) Core(TM) i7-8700 CPU @ 3.20GHz
wmic:root\cli>cpu get NumberOfCores
NumberOfCores
6
wmic:root\cli>cpu get NumberOfLogicalProcessors
NumberOfLogicalProcessors
12
wmic:root\cli>
linux查看核數
一般linux的CPU相關信息都是存儲在/proc/cpuinfo內，內存信息存儲在/proc/meminfo中。
cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l：查看物理CPU個數cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq：查看單個CPU核數cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l：查看邏輯CPU個數cat /proc/meminfo| grep MemTotal：查看內存大小
[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq
cpu cores : 1
[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l
16
[linux@01 ~]$ cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l
16
[linux@01 ~]$ cat /proc/meminfo| grep MemTotal
MemTotal: 32780412 kB
上下文切換
上下文切換的介紹
我們對於單核和多核不陌生了，自己的電腦或者使用的機器總是希望核數越多越好，畢竟多核能夠支持更好的多線程並發。當然，單核處理器也支持多線程執行代碼，CPU是通過給每個線程分配CPU時間片來實現。
時間片就是CPU分配給各個線程的時間，那單核是如何實現多線程並發執行的呢？那是因為時間片非常短（一般是幾十毫秒），CPU通過切換線程交替執行，給你一種錯覺好像是多個線程同時執行了。
CPU通過時間片來執行多線程執行，當前任務執行一個時間片后切換到下一個任務繼續執行，在切換任務前呢，其實CPU會保存該任務的狀態，這樣在下次切回該任務時，可以再加載這個任務的狀態，繼續執行（其實也就是保存當前線程的運行位置，同時呢，會加載需要恢復的線程環境相關信息。）。任務從保存到再加載的過程，這就是一次上下文切換的過程。
上下文切換一旦頻繁，必定消耗CPU資源，必定耗時，並發的性能將會受到影響。如何減少？
上下文切換的減少
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方式。
無鎖並發編程：多線程競爭鎖時，大量的任務交替執行，會引起上下文切換，在多線程處理數據時，我們可以使用一些無鎖方式來處理共享數據，比如將數據的ID按照Hash算法取模進行分段，這樣不同的線程去處理不同分段的數據。CAS算法：JAVA的Atomic包就使用了CAS算法來更新數據，無需加鎖。使用最少線程：在程序開發過程中，要避免創建不必要的線程，如並發任務很少，若創建了很多線程來處理任務，可能在程序運行時，大部分線程都是出於等待閑置的狀態。比如減少線上大量的WAITING線程，我們可以通過jstack [pid] > dumpName將某個進程的線程信息dump到dumpName文件中，然后通過篩選（grep java.lang.Thread.State dumpName | awk '{print $2$3$4$5}' | sort | uniq -c）出多少個線程處於WAITING狀態。或者直接通過jstack -l [pid]| grep BLOCKED、jstack -l [pid]| grep WAITING等命令查看該進程的線程信息。協程：在單線程里實現多個任務的調度，並在單個線程里面維持多個任務的切換。
上下文切換的查看
我們可以使用vmstat命令和pidstat命令查看上下文切換的次數等信息。
vmstat命令
vmstat命令是Virtual Memory Statistics虛擬內存統計的縮寫，可以對操作系統的虛擬內存、進程、CPU活動等進行監控統計。
vmstat命令參數詳解
[linux@01 ~]$ vmstat -help
Usage:
vmstat [options] [delay [count]]
Options:
-a, --active active/inactive memory
-f, --forks number of forks since boot
-m, --slabs slabinfo
-n, --one-header do not redisplay header
-s, --stats event counter statistics
-d, --disk disk statistics
-D, --disk-sum summarize disk statistics
-p, --partition <dev> partition specific statistics
-S, --unit <char> define display unit
-w, --wide wide output
-t, --timestamp show timestamp
-h, --help display this help and exit
-V, --version output version information and exit
For more details see vmstat(8).
比較常用的直接使用vmstat a，其中a代表的是多少秒實時顯示。
vmstat 實時統計整體情況
語法：
vmstat [count]
參數說明：
count：表示統計間隔。
示例：
[linux@01 ~]$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
1 0 0 13223320 146732 1982108 0 0 0 3 0 0 0 0 99 0 0
1 0 0 13222504 146732 1982108 0 0 0 172 747 1224 0 0 99 0 0
0 0 0 13222696 146732 1982108 0 0 0 44 1078 1464 0 0 99 0 0
0 0 0 13223492 146732 1982108 0 0 0 0 749 1189 0 0 100 0 0
0 0 0 13223260 146732 1982092 0 0 0 16 789 1272 0 0 100 0 0
0 0 0 13223620 146732 1981996 0 0 0 0 1359 1589 0 0 99 0 0
0 0 0 13224364 146732 1981996 0 0 0 156 817 1279 0 0 100 0 0
0 0 0 13222488 146732 1981996 0 0 0 32 792 1292 0 0 100 0 0
pidstat命令
vmstat可以對操作系統進行整體情況統計，但是無法對某個進程進行統計分析，下面學習一下pidstat命令，可以針對整體或者某個進程進行分析。
pidstat安裝
pidstat命令是對linux系統監控的一種命令，使用該命令可以對linux進程數據進行監控，可以輸出每個受內核管理的任務相關信息，而pidstat是sysstat軟件套件的一部分，所以首先得安裝該命令。
如果是centos系統，使用yum install sysstat安裝即可。
pidstat命令參數詳解
[linux@01 ~]$ pidstat -help
Usage: pidstat [ options ] [ <interval> [ <count> ] ]
Options are:
[ -d ] [ -h ] [ -I ] [ -l ] [ -r ] [ -s ] [ -t ] [ -U [ <username> ] ] [ -u ]
[ -V ] [ -w ] [ -C <command> ] [ -p { <pid> [,...] | SELF | ALL } ]
[ -T { TASK | CHILD | ALL } ]
其中：
interval：表示間隔多久統計一次數據，可選的參數。count：表示統計多少次，可選參數，若只傳了interval，而無count，則默認無限次統計次數。
pidstat cpu統計
語法：
- 全量：
pidstat -u [interval] [count]或者默認pidstat [interval] [count] - 某個任務：
pidstat -p <pid> [interval] [count]
全量任務cpu統計示例
[linux@01 ~]$ pidstat
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
08:45:48 AM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
08:45:48 AM 0 1 0.00 0.00 0.00 0.00 14 systemd
08:45:48 AM 0 2 0.00 0.00 0.00 0.00 15 kthreadd
08:45:48 AM 0 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0 ksoftirqd/0
08:45:48 AM 0 7 0.00 0.00 0.00 0.00 0 migration/0
08:45:48 AM 0 9 0.00 0.01 0.00 0.01 15 rcu_sched
08:45:48 AM 0 10 0.00 0.00 0.00 0.00 0 watchdog/0
08:45:48 AM 0 11 0.00 0.00 0.00 0.00 1 watchdog/1
08:45:48 AM 0 12 0.00 0.00 0.00 0.00 1 migration/1
08:45:48 AM 0 13 0.00 0.00 0.00 0.00 1 ksoftirqd/1
某個pid任務cpu統計示例
[linux@01 ~]$ pidstat -u -p 27680 1
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
09:14:19 AM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
09:14:20 AM 1000 27680 1.00 0.00 0.00 1.00 8 java
09:14:21 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
09:14:22 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
09:14:23 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
統計參數詳解：
UID：表示監視任務的真實用戶標識編號。PID：表示被監控任務的進程號%usr：表示該任務在用戶態應用程序執行時的CPU使用率，該字段的CPU計算時間不包括在虛擬處理器中花去的時間。（用戶層面）%system：表示該任務在內核態執行時的CPU使用率。（系統層面）%guest：表示該任務在虛擬機處理器上執行時的CPU使用率。(虛擬層面)。%CPU：表示該任務總的CPU使用率。在多處理器環境中，如果帶上-I參數，CPU使用率的計算會除以機器的CPU數量。CPU：表示正在運行該任務的處理器編號。Command：表示該任務的執行命令名稱。
pidstat I/O統計
語法：
pidstat -d -p <pid>
示例：
[linux@01 ~]$ pidstat -d -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
08:52:55 AM UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s Command
08:52:55 AM 1000 27680 0.00 0.01 0.00 java
統計參數詳解：
UID：表示監視任務的真實用戶標識編號。PID：表示被監控任務的進程號kB_rd/s：表示該任務從硬盤上的讀取速度，rd表示read。kB_wr/s：表示該任務向硬盤中的寫入速度，wr表示write。kB_ccwr/s：表示該任務寫入磁盤被取消的速度。ccwr表示cancel write。Command：表示該任務的執行命令名稱。
pidstat 內存統計
語法：
pidstat -r -p <pid>
示例：
[linux@01 ~]$ pidstat -r -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
08:56:48 AM UID PID minflt/s majflt/s VSZ RSS %MEM Command
08:56:48 AM 1000 27680 0.01 0.00 13124360 2489432 7.59 java
統計參數詳解：
UID：表示監視任務的真實用戶標識編號。PID：表示被監控任務的進程號。minflt/s：表示從內存中加載數據時每秒出現的較小錯誤數目，這些不要求從磁盤載入內存頁面，其中minflt表示minor fault。majflt/s：表示從內存中加載數據時每秒出現的較大錯誤數目，這些要求從磁盤載入內存頁面，其中majflt表示major fault。VSZ：表示虛擬容量，整個進程的虛擬內存使用(單位：kb)RSS：表示長期內存使用，任務的不可交換物理內存的使用量(單位：kb)Command：表示該任務的執行命令名稱。
pidstat 間隔有限次數監控
語法：
pidstat -p <pid> [interval] [count]
示例
[linux@01 ~]$ pidstat -p 27680 1 5
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
09:03:55 AM UID PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
09:03:56 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
09:03:57 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
09:03:58 AM 1000 27680 1.00 0.00 0.00 1.00 8 java
09:03:59 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
09:04:00 AM 1000 27680 0.00 0.00 0.00 0.00 8 java
Average: 1000 27680 0.20 0.00 0.00 0.20 - java
pidstat 上下文切換統計
語法：
pidstat -w <pid> [interval] [count]
示例
[linux@01 ~]$ pidstat -w -p 27680
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
09:11:15 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
09:11:15 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
[linux@01 ~]$ pidstat -w -p 27680 1 10
Linux 3.10.0-514.el7.x86_64 (01) 03/09/2021 _x86_64_ (16 CPU)
09:11:39 AM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
09:11:40 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:41 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:42 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:43 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:44 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:45 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:46 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:47 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:48 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
09:11:49 AM 1000 27680 0.00 0.00 java
Average: 1000 27680 0.00 0.00 java
統計參數詳解：
UID：表示監視任務的真實用戶標識編號。PID：表示被監控任務的進程號。cswch/s：表示該任務每秒自願上下文切換次數，當某一任務處於阻塞等待時，將主動讓出自己的CPU資源。其中cswch表示context switch。nvcswch/s：表示該任務每秒非資源上下文切換次數，CPU分配給某一任務的時間片已經用完，因此將強迫該進程讓出CPU的執行權。其中nvcswch表示involuntary context switchCommand：表示該任務的執行命令名稱。
REF《Java並發編程的藝術》