一、CPU時間片

• CPU時間片即CPU分配給每個線程的執(zhí)行時間段，稱作它的時間片。CPU時間片一般為幾十毫秒(ms)。

二、什么是上下文切換

CPU通過時間片段的算法來循環(huán)執(zhí)行線程任務(wù)，而循環(huán)執(zhí)行即每個線程允許運行的時間后的切換，而這種循環(huán)的切換使各個程序從表面上看是同時進行的。而切換時會保存之前的線程任務(wù)狀態(tài)，當切換到該線程任務(wù)的時候，會重新加載該線程的任務(wù)狀態(tài)。而這個從保存到加載的過程稱之為上下文切換。

• 若當前線程還在運行而時間片結(jié)束后，CPU將被剝奪并分配給另一個線程。
• 若線程在時間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，CPU進行線程切換。而不會造成CPU資源浪費。

三、上下文切換造成的影響

我們可以通過對比串聯(lián)執(zhí)行和并發(fā)執(zhí)行進行對比。

    private static final long count = 1000000;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        concurrency();
        series();
    }
    /**
     * 并發(fā)執(zhí)行
     * @throws Exception
     */
    private static void concurrency() throws Exception {
        long start = System.currentTimeMillis();
        //創(chuàng)建線程執(zhí)行a+=
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                int a = 0;
                for (int i = 0; i < count; i++) {
                    a += 1;
                }
            }
        });
        //啟動線程執(zhí)行
        thread.start();
        //使用主線程執(zhí)行b--;
        int b = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        //合并線程，統(tǒng)計時間
        thread.join();
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("Concurrency：" + time + "ms, b = " + b);
    }
    /**
     * 串聯(lián)執(zhí)行
     */
    private static void series() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        int a = 0;
        for (long i = 0; i < count; i++) {
            a += 1;
        }
        int b = 0;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            b--;
        }
        long time = System.currentTimeMillis() - start;
        System.out.println("Serial：" + time + "ms, b = " + b + ", a = " + a);
    }

通過修改循環(huán)次數(shù),對比串行運行和并發(fā)運行的時間測試結(jié)果：

通過數(shù)據(jù)的對比我們可以看出。在一萬以下的循環(huán)次數(shù)時，串聯(lián)的執(zhí)行速度比并發(fā)的執(zhí)行速度塊。是因為線程上下文切換導致額外的開銷。

在Linux系統(tǒng)下可以使用vmstat命令來查看上下文切換的次數(shù)，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。

四、如何減少上下文切換導致額外的開銷

減少上下文切換次數(shù)便可以提高多線程的運行效率。減少上下文切換的方法有無鎖并發(fā)編程、CAS算法、避免創(chuàng)建過多的線程和使用協(xié)程。

• 無鎖并發(fā)編程.當任何特定的運算被阻塞的時候，所有CPU可以繼續(xù)處理其他的運算。換種方式說，在無鎖系統(tǒng)中，當給定線程被其他線程阻塞的時候，所有CPU可以不停的繼續(xù)處理其他工作。無鎖算法大大增加系統(tǒng)整體的吞吐量，因為它只偶爾會增加一定的交易延遲。大部分高端數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是基于無鎖算法而構(gòu)造的，以滿足不同級別。

• CAS算法。Java提供了一套原子性操作的數(shù)據(jù)類型（java.util.concurrent.atomic包下），使用CAS算法來更新數(shù)據(jù)，不需要加鎖。如:AtomicInteger、AtomicLong等。

• 避免創(chuàng)建過多的線程。如任務(wù)量少時，盡可能減少創(chuàng)建線程。對于某個時間段任務(wù)量很大的這種情況，我們可以通過線程池來管理線程的數(shù)量，避免創(chuàng)建過多線程。

• 協(xié)程：即協(xié)作式程序，其思想是，一系列互相依賴的協(xié)程間依次使用CPU，每次只有一個協(xié)程工作，而其他協(xié)程處于休眠狀態(tài)。如：JAVA中使用wait和notify來達到線程之間的協(xié)同工作。

參考：
《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》