在 Java 中,多线程是一个被广泛使用的编程模型,它可以在单个程序中同时执行多个任务,提高程序的并发度和性能。然而,当多条线程同时运行时,操作系统需要对线程进行上下文切换的操作来保证每个线程都能获得足够的CPU时间片以及所需的资源。下面将会详细讲解Java中多线程所涉及的上下文切换的相关知识点。
1、概念:上下文切换是指在多线程环境下,当一个正在运行的线程被其它线程抢占了 CPU 资源时,这个正在运行的线程就必须先把当前上下文信息(包括 CPU 寄存器值、程序计数器、虚拟内存映射表等)保存到内存中,然后就轮到另一个线程执行了。
2、原因:一个线程被切换出去通常由于以下几个原因:
(1)线程超过其分配的时间量
(2)线程试图通过 IO 引起阻塞
(3)线程执行了 sleep() 或 wait() 方法
3、影响:尽管上下文切换是为了确保所有线程获得足够的时间片和所需的资源而进行的必要操作,但是这一过程也会带来一定的额外开销,比如内存消耗,CPU 时间等。这些额外开销可能会对程序运行的性能产生负面影响。
4、减少上下文切换次数的方法:
(1)限制线程的数量:因为线程越多,CPU 分配越困难,从而导致更多的上下文切换处理;
(2)避免饥饿情况的发生:在某些情况下,部分线程可能会因为优先级太低等原因长时间地得不到执行机会,此时就需要采取措施,保证所有线程都能得到正常的时间片调度,避免饥饿情况的发生;
(3)避免过度同步:如果在代码中存在过多的锁或者其他同步原语,那么也很容易导致频繁的上下文切换操作;
(4)使用协程:使用单线程协程(Coroutine)可以将原本需要大量依赖 CPU 调度的线程切换动作转化为基于状态迁移转移的方式,在一定程度上减少上下文切换操作。
总之,在 Java 中,上下文切换是指在多线程环境下,当一个正在运行的线程被其它线程抢占了CPU资源时,这个正在运行的线程就必须先把当前上下文信息保存到内存中,然后就轮到另一个线程执行了。为了保证线程能够得到公平地调度,我们需要采取一定的措施,如限制线程数量、避免饥饿情况的发生、避免过度同步等。