java 上下文传header 什么是java上下文

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代码工匠传奇 2023-09-12 23:10:35

文章标签 java 上下文传header java 什么是并发上下文切换死锁多线程 文章分类 Java 后端开发

采用并发编程的目的是为了使程序运行得更快，但并不是启动更多的线程就能让程序最大限度地并发执行。如果希望通过多线程让程序运行得更快，会有许多要考虑的问题，比如上下文切换、死锁、以及来自硬件和软件支持的限制等。

一、上下文切换

1、上下文切换的了解

上下文切换是指CPU从一个进程或线程切换到另一个进程或线程，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，因为时间片很短，所以CPU会不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程好像是同时执行的，时间片一般是几十毫秒。

CPU会通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行了一个时间片后会切换到下一个任务。但在切换前，会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时保持之前执行后的状态。所以，上下文切换就是从当前执行任务切换到另一个任务执行的过程。

另外，进程和线程上下文切换是有区别的。我们已经了解了，上下文切换就是从当前执行任务切换到另一个任务执行的过程，然后再了解一下线程和进程的区别。首先，线程的进程的一部分，而线程是操作系统最小的调度单位，是进程中的执行流，而进程是操作系统的资源分配的基本单位。进程是有独立的内存空间，而线程是共享进程的内存空间。

所以，进程在上下文切换上，要比线程开销大。他们最主要的区别就是线程的切换虚拟内存空间是相同的，而进程则是不同的。线程的上下文切换要比进程快得多。

2、并发和并行和串行

首先，先弄清它们的概念。并发是指事件在一个时间间隔发生，并行是指事件在一个时间同时发生。在执行并发任务时，是指一个单核CPU同时处理多个任务，好比让你一个人干多件事洗菜做饭刷碗。而执行并行任务，则是指多个CPU同时执行多个任务，是物理上的同时发生，好比从原来你一个人洗菜做饭刷碗，变成了你洗菜你媳妇做饭你儿子刷碗。从一个假装同时干三件事，变成了三个人真的同时干三件事。串行，是指所有的任务都会先后执行，完成一个再做下一个。

3、多线程一定快吗

通过java并发编程的艺术的书中代码例子可以看到：

并发串行

1万次循环： 1ms 0ms

10万次循环： 1或2ms 1或2ms

100万次循环： 2或3ms 3或4ms

1000万次循环： 6ms 9ms

1亿次循环： 39ms 74ms

与书中的测试结果不太一样，可能是我的CPU要高一点。

结论：在百万次累加操作以下并发执行要比串行慢，百万次时稍好一点，千万次及以上性能要好很多，而且计算量越多越能体现。

10亿次循环： 374ms 729ms

为什么百万次累加以下并发会比串行慢？是因为线程有创建和上下文切换的开销。那么减少上下文切换次数，就可以提高并发的效率。

书中源码：

package FirstChapter;
public class ConcurrencyTest {
private static final long count = 10000;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.println("当前操作次数为：" + count);
//并发执行
concurrency();
//串行执行
serial();
}
//并发执行，a的累加操作由另外一个线程执行，b的递减操作依然后主线程来执行
private static void concurrency() throws InterruptedException {
long start = System.currentTimeMillis();
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
long a = 0;
for(int i = 0;i < count;i++)
a += 5;
}
});
thread.start();
long b = 0;
for(int j = 0;j < count;j ++)
b--;
//将对a的累加的任务交由另外的线程执行
thread.join();
long time = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("并发执行耗时:"+time+"ms");
}
//串行执行，a的累加操作和b递减操作都由主线程来执行
private static void serial() {
long start = System.currentTimeMillis();
long a = 0;
for(int i = 0; i < count; i++) {
a += 5;
}
long b = 0;
for(int i = 0;i < count; i++) {
b--;
}
long spend = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("串行耗时:"+spend+"ms");
}
}

4、怎样做会减少上下文切换

减少上下文切换的方法有：无锁并发编程、CAS算法(乐观锁的一种实现方式)、使用最少线程、使用协程

无锁并发编程：多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些方式避免锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，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，不需要加锁。

使用最少线程：避免创建不必要的线程，如果任务很少，没必要创建很多线程来处理，这样会使大量线程处于等待状态。

协程：在单线程里实现多任务的调度，和再单线程里维持多个任务间的切换。

在linux系统下，可以用jstack命令查看指定PID进程的线程的工作状态，以此来判断是否有大量闲置线程。

二、死锁

当我们要在多线程情况下对相同的资源进行修改时，可能会需要用到锁。锁在多线程里很常见，运用场景很多，使用简单易于理解。但它同时也会带来一些困扰，那就是可能引起死锁，一旦产生死锁，就会造成系统功能不可用。

只有对不可剥夺的资源才会产生死锁。举一个简单的例子，线程A先获取了A1资源的锁，但需要对A2资源进行修改，申请A2资源的锁，线程B获取了A2资源的锁，但需要对A1资源进行修改，申请A1资源的锁。因为资源不可剥夺，所以线程A和线程B都在互相等待所需资源释放，所以都会阻塞。默认的锁申请是阻塞的。

1、产生死锁的四个必要条件，有一个不符合就不会产生死锁：

1、互斥条件：进程或线程要求对分配资源进行排他性控制，即在同一时间只有一个进程或线程占有。此时若有其它进程或线程申请则只能等待。

2、不剥夺条件：进程或线程未使用完资源之前，不能被其他进程或线程强行夺走，只能自己释放。

3、请求和保持条件：进程或线程已经保持占有了至少一个资源，但又要申请新的资源，但该资源被别的进程或线程占有，此时请求进程或线程被阻塞，但又对已占有资源保持不放。

4、循环等待条件：存在一个循环等待资源的集合，若干进程或线程形成一种头尾相接的循环等待资源关系。

2、避免死锁的常见方法：

避免一个线程同时获取多个锁。

避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源。

尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制。

对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况。

三、资源限制

1、什么是资源限制

资源限制是指在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件或软件资源。比如，服务器带宽只有2MB/S，某个资源的下载速度是1MB每秒，启动10个线程来下载资源，下载速度不会变成10MB/S，所以并发编程时，要考虑到这些资源的限制。硬件资源限制有带宽的上传/下载速度、硬盘读写速度和CPU的处理速度。软件资源限制有数据库的连接数和socket连接数等。

2、资源限制引发的问题

在并发编程中，将代码执行速度加快的原则是，将代码中串行执行的部分变成并发执行(并行)。但如果将某段串行的代码并发执行，因为受限于资源，仍然在串行执行，这个时候程序不仅不会加快执行，反而更慢，因为增加了上下文切换和资源调度的时间。

3、如何解决资源限制的问题

对于硬件资源限制，可以考虑使用集群并行执行程序。既然单机的资源有限制，那么就让程序在多机上运行。比如使用ODPS、Hadoop或者自己搭建服务器集群，不同的机器处理不同的数据。可以通过 "数据ID%机器数"，计算得到一个机器编号，然后由对应编号的机器处理这笔数据。

对于软件资源限制，可以考虑使用资源池将资源复用。比如使用连接池将数据库和Socket连接复用，或者在调用对方webservice接口获取数据时，只建立一个连接。

4、在资源限制情况下进行并发编程

如何在资源限制的情况下，让程序执行得更快？方法就是，根据不同的资源限制调整程序的并发度，比如下载文件程序依赖于两个资源：带宽和磁盘读写速度。有数据库操作时，涉及数据库连接数，如果SQL语句执行的非常快，而线程的数量比数据库连接数大很多，则某些线程会被阻塞，等待数据库连接。

摘抄出处：《java并发编程的艺术》

四、常见面试题问题

1、什么是上下文切换

2、线程和进程的异同

3、线程和进程的上下文切换的区别