前言
本文来自方腾飞老师《Java并发编程的艺术》第一章。
并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题、死锁的问题，以及受限于硬件和软件的资源限制问题，本文要研究的是上下文切换的问题。
什么是上下文切换
即使是单核CPU也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程时同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。
CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再次加载这个任务的状态，从任务保存到再加载的过程就是一次上下文切换。
这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书籍时，发现某个单词不认识，于是便打开中英文词典，但是在放下英文书籍之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。
上下文切换代码测试
下面的代码演示串行和并发执行并累加操作的时间：
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，即修改循环次数，看一下串行运行和并发运行的时间测试结果：
| 循环次数 | 串行执行耗时/ms | 并发执行耗时/ms | 串行和并发对比 |
| 1亿 | 78 | 50 | 并发快约0.5倍 |
| 1000万 | 10 | 6 | 并发快约0.5~1倍 |
| 100万 | 3 | 2 | 差不多 |
| 10万 | 2 | 2 | 差不多 |
| 1万 | 0 | 1 | 差不多，十几次执行下来，总体而言串行略快 |
从表中可以看出，100次并发执行累加以下，串行执行和并发执行的运行速度总体而言差不多，1万次以下串行执行甚至还可以说是略快。为什么并发执行的速度会比串行慢呢？这就是因为线程有创建和上下文切换的开销。
引起线程上下文切换的原因
对于我们经常使用的抢占式操作系统而言，引起线程上下文切换的原因大概有以下几种：
- 当前执行任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务
- 当前执行任务碰到IO阻塞，调度器将此任务挂起，继续下一任务
- 多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到锁资源，被调度器挂起，继续下一任务
- 用户代码挂起当前任务，让出CPU时间
- 硬件中断
上下文切换次数查看
在Linux系统下可以使用vmstat命令来查看上下文切换的次数，下面是利用vmstat查看上下文切换次数的示例：
CS（Context Switch）表示上下文切换的次数，从图中可以看到，上下文每秒钟切换500~600次左右。
如果要查看上下文切换的时长，可以利用Lmbench3，这是一个性能分析工具。
如何减少上下文切换
既然上下文切换会导致额外的开销，因此减少上下文切换次数便可以提高多线程程序的运行效率。减少上下文切换的方法有无锁并发编程、CAS算法、使用最少线程和使用协程。
- 无锁并发编程。多线程竞争时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash取模分段，不同的线程处理不同段的数据
- CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁
- 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态
- 协程。在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换