JAVA多线程(一)基本概念和上下文切换性能损耗

JAVA多线程（一）基本概念和上下文切换性能损耗

1 多线程概念

在理解多线程之前，我们先搞清楚什么是线程。根据维基百科的描述，线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是行程中的实际运行单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一個进程中可以并行多个线程，每条线程并行执行不同的任务。每个线程共享堆空间，拥有自己独立的栈空间。

这里反复出现的概念是线程和进程，我们在这里列出它们的区别：

线程划分尺度小于进程，线程隶属于某个进程；

进程是CPU、内存等资源占用的基本单位，线程是不能独立占有这些资源的；

进程之间相互独立，通信比较困难，而线程之间共享一块内存区域，通信方便；

进程在执行过程中，包含比较固定的入口、执行顺序和出口，而进程的这些过程会被应用程序控制。

多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。具有多线程能力的计算机因有硬件支持而能够在同一时

间执行多个线程，进而提升整体处理效能。

2 为什么要使用多线程

随着计算机硬件的发展，多核CPU已经屡见不鲜了，甚至手机处理器都早已是多核的天下。这就给我们使用多线程提供了硬件基础，但是，只是因为硬件让我们可以实现多线程，就要这样做吗？一起来看看多线程的优点：

更高的运行效率。在多核CPU上，线程之间是互相独立的，不用互相等待，也就是所谓的“并行“。举个例子，一个使用多线程的文件系统可以实现高吞吐量和低延迟。这是因为我们可以用一个线程来检索存储在高速介质（例如高速缓冲存储器）中的数据，另一个线程检索低速介质（例如外部存储）中的数据，二者互不干扰，也不用等到另一个线程结束才执行；

多线程是模块化的编程模型。在单线程中，如果主执行线程在一个耗时较长的任务上卡住，或者因为网络响应问题陷入长时间等待，此时程序不会响应鼠标和键盘等操作。多线程通过将程序分成几个功能相对独立的模块，单独分配一个线程去执行这个长耗时任务，不影响其它线程的执行，就可以避免这个问题；

与进程相比，线程的创建和切换开销更小。使用多线程为多个客户端服务，比使用多进程消耗的资源少得多。由于启动

一个新的线程必须给这个线程分配独立的地址空间，建立许多数据结构来维护线程代码段、数据段等信息，而运行于同一进程内的线程共享代码段、数据段，线程的启动和切换开销小得多。一个典型的应用例子就是Apache HTTP服务器所使用的线程池：一个监听线程池专门用来监听是否有请求进入，另一个服务器线程池用来处理这些请求；

通信方便。因为线程共享栈空间，可以通过线程之间共享的数据、代码和文件来进行线程之间的通信（详见我的另一篇JAVA多线程（四）数据共享）。相比之下，进程之间的通信则需要专门的消息传递机制；

使用多线程能简化程序的结构，使程序便于理解和维护。一个复杂的进程可以分成多个线程来执行；

更高的资源利用率。多CPU或多核计算机本来就具有执行多线程的能力，如果只使用单个线程，将无法重复利用计算机资源，造成巨大浪费。

3 多线程上下文切换的性能损耗

前面夸了多线程的优点，凡事都有两面性，使用多线程也有弊端。尽管使用多线程往往可以获得更大的吞吐率和更短的响应时间，但是，多线程程序不一定比单线程程序执行速度快。很多线程存在情况下，线程之间的切换会非常频繁，切换带来的性能损耗是非常可观的。

3.1 上下文切换的概念

先来解释一下什么是上下文切换(context switch)。在多任务处理系统中，作业数通常大于CPU数。为了让用户觉得这些任务在同时进行，CPU给每个任务分配一定时间，把当前任务状态保存下来，当前运行任务转为就绪（或者挂起、删除）状态，另一个被选定的就绪任务成为当前任务。之后CPU可以回过头再处理之前被挂起任务。上下文切换就是这样一个过程，它允许CPU记录并恢复各种正在运行程序的状态，使它能够完成切换操作。在这个过程中，CPU会停止处理当前运行的程序，并保存当前程序运行的具体位置以便之后继续运行。

上下文切换在不同的场合有不同的含义，在下表中列出：上下文切换种类

描述线程切换

同一进程中的两个线程之间的切换

进程切换

两个进程之间的切换

模式切换

在给定线程中，用户模式和内核模式的切换

地址空间切换

将虚拟内存切换到物理内存