上下文切换

进程间上下文切换

锁的竞争太激烈会导致锁升级为重量级锁,未抢到锁的线程会进入monitor,而monitor依赖于底层操作系统的mutex lock,获取锁时会发生用户态和内核态之间的切换,所以会发生进程间的上下文切换。

线程间上下文切换

线程间上下文切换就是一个工作的线程被另外一个线程暂停,另外一个线程占用了处理器开始执行任务的过程。系统和 Java 程序自发性以及非自发性的调用操作,就会导致上下文切换,从而带来系统开销。线程越多,系统的运行速度不一定越快。那么我们平时在并发量比较大的情况下,什么时候用单线程,什么时候用多线程呢?一般在单个逻辑比较简单,而且速度相对来非常快的情况下,我们可以使用单线程。例如Redis,从内存中快速读取值,不用考虑 I/O 瓶颈带来的阻塞问题。而在逻辑相对来说很复杂的场景,等待时间相对较长又或者是需要大量计算的场景,我建议使用多线程来提高系统的整体性能。例如,NIO 时期的文件读写操作、图像处理以及大数据分析等。

上下文

上下文都包括哪些内容呢?具体来说,它包括了寄存器的存储内容以及程序计数器存储的指令内容。CPU 寄存器负责存储已经、正在和将要执行的任务,程序计数器负责存储 CPU 正在执行的指令位置以及即将执行的下一条指令的位置

原因


结合图示可知,线程主要有“新建”(NEW)、“就绪”(RUNNABLE)、“运行”(RUNNING)、“阻塞”(BLOCKED)、“死亡”(DEAD)五种状态。到了 Java 层面它们都被映射为了 NEW、RUNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING、TERMINADTED 等 6 种状态。

  1. 在这个运行过程中,线程由 RUNNABLE 转为非 RUNNABLE 的过程就是线程上下文切换。
  2. 一个线程的状态由 RUNNING 转为 BLOCKED ,再由 BLOCKED 转为 RUNNABLE ,然后再被调度器选中执行,这就是一个上下文切换的过程。
  3. 当一个线程从 RUNNING 状态转为 BLOCKED 状态时,我们称为一个线程的暂停,线程暂停被切出之后,操作系统会保存相应的上下文,以便这个线程稍后再次进入 RUNNABLE 状态时能够在之前执行进度的基础上继续执行。
  4. 当一个线程从 BLOCKED 状态进入到 RUNNABLE 状态时,我们称为一个线程的唤醒,此时线程将获取上次保存的上下文继续完成执行
  5. 通过线程的运行状态以及状态间的相互切换,我们可以了解到,多线程的上下文切换实际上就是由多线程两个运行状态的互相切换导致的。那么在线程运行时,线程状态由 RUNNING 转为 BLOCKED 或者由 BLOCKED 转为 RUNNABLE,这又是什么诱发的呢?
    在 Linux 系统下,可以使用 Linux 内核提供的 vmstat 命令,来监视 Java 程序运行过程中系统的上下文切换频率,cs 如下图所示:

如果是监视某个应用的上下文切换,就可以使用 pidstat 命令监控指定进程的 Context Switch 上下文切换

至于系统开销具体发生在切换过程中的哪些具体环节,总结如下:

  1. 操作系统保存和恢复上下文;
  2. 调度器进行线程调度;
  3. 处理器高速缓存重新加载;
  4. 上下文切换也可能导致整个高速缓存区被冲刷,从而带来时间开销。
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