详解线程上下文切换

对于单核 CPU，CPU 在一个时刻只能运行一个线程，当在运行一个线程的过程中转去运行另外一个线程，这个叫做线程上下文切换。

由于可能当前线程的任务并没有执行完毕，所以在切换时需要保存线程的运行状态，以便下次重新切换回来时能够继续切换之前的状态运行。举个简单的例子：比如一个线程A正在读取一个文件的内容，正读到文件的一半，此时需要暂停线程A，转去执行线程B，当再次切换回来执行线程A的时候，我们不希望线程A又从文件的开头来读取。

因此需要记录线程A的运行状态，那么会记录哪些数据呢?因为下次恢复时需要知道在这之前当前线程已经执行到哪条指令了，所以需要记录程序计数器的值，另外比如说线程正在进行某个计算的时候被挂起了，那么下次继续执行的时候需要知道之前挂起时变量的值时多少，因此需要记录CPU寄存器的状态。所以一般来说，线程上下文切换过程中会记录程序计数器、CPU寄存器状态等数据。

简而言之：对于线程的上下文切换实际上就是 存储和恢复CPU状态的过程，它使得线程执行能够从中断点恢复执行。

既然上下文切换会带来开销，给CPU带来负担，那么我们该如何减少线程上下文切换呢?

1 .减少线程的数量

由于一个CPU每个时刻只能执行一条线程，而傲娇的我们又想让程序并发执行，操作系统只好不断地进行上下文切换来使我们从感官上觉得程序是并发执的行。因此，我们只要减少线程的数量，就能减少上下文切换的次数。然而如果线程数量已经少于CPU核数，每个CPU执行一条线程，照理来说CPU不需要进行上下文切换了，但事实并非如此。

2 .控制同一把锁上的线程数量

如果多条线程共用同一把锁，那么当一条线程获得锁后，其他线程就会被阻塞;当该线程释放锁后，操作系统会从被阻塞的线程中选一条执行，从而又会出现上下文切换。因此，减少同一把锁上的线程数量也能减少上下文切换的次数。

3 .采用无锁并发编程

需要并发执行的任务是无状态的：HASH分段

所谓无状态是指并发执行的任务没有共享变量，他们都独立执行。对于这种类型的任务可以按照ID进行HASH分段，每段用一条线程去执行。

需要并发执行的任务是有状态的：CAS算法

如果任务需要修改共享变量，那么必须要控制线程的执行顺序，否则会出现安全性问题。你可以给任务加锁，保证任务的原子性与可见性，但这会引起阻塞，从而发生上下文切换;为了避免上下文切换，你可以使用CAS算法，仅在线程内部需要更新共享变量时使用CAS算法来更新，这种方式不会阻塞线程，并保证更新过程的安全性。

因此，尽管多线程可以使得任务执行的效率得到提升，但由于在线程切换时同样会带来一定的开销代价，并且多个线程会导致系统资源占用的增加，所以在进行多线程编程时要注意这些因素。好了，线程上下文切换就讲到这里，想要掌握更多的多线程知识的小伙伴抓紧时间攻克本站的Java多线程教程吧!