多线程系列：一介绍
本文是从结合并发编程网的学习笔记，主要是关注java的多线程及并发性。
优点：
- 资源利用率更好
- 程序响应更快
缺点：
当CPU从执行一个线程切换到执行另外一个线程的时候，它需要先存储当前线程的本地的数据，程序指针等，然后载入另一个线程的本地数据，程序指针等，最后才开始执行。这种切换称为“上下文切换”(“context switch”)简称CS。CPU会在一个上下文中执行一个线程，然后切换到另外一个上下文中执行另外一个线程。上下文切换并不廉价。如果没有必要，应该减少上下文切换的发生。
这里原文写的比较简单，我觉得有必要补充下下文切换的几个概念：*） context是指CPU寄存器和程序计数器在任何时间点的内容
*）CS可以描述为kernel执行下面的操作
1. 挂起一个进程，并储存该进程当时在内存中所反映出的状态
2. 从内存中恢复下一个要执行的进程，恢复该进程原来的状态到寄存器，返回到其上次暂停的执行代码然后继续执行
*）CS只能发生在内核态(kernel mode)：内核态是 CPU 的一种有特权的模式，在这种模式下只有内核运行并且可以访问所有内存和其他系统资源。其他的程序，如应用程序，在最开始都是运行在用户态，但是他们能通过系统调用来运行部分内核的代码
*）system call会陷入内核态，是user mode => kernel mode的过程，我们称之为模式切换（mode switch），但不表明会发生CS（其实mode switch同样也会做很多和CS一样的流程，例如通过寄存器传递user mode 和 kernel mode之间的一些参数）
*）一个硬件中断的产生，也可能导致kernel收到signal后进行CS。这里的硬件中断是指硬件设备（如键盘、鼠标、调试解调器、系统时钟）给内核发送的一个信号，该信号表示一个事件（如按键、鼠标移动、从网络连接接收到数据）发生了。 目前主流CPU 都支持硬件上下文切换。然而，大多数现代的操作系统通过软件实现上下文切换，而非使用硬件上下文切换，这样能够运行在任何 CPU 上。同时，使用软件上下文切换可以尝试获得更好的性能。软件的上下文切换最先在 Linux 2.4 中实现。
如何获得上下文切换的次数？
vmstat直接运行即可，在最后几列，有CPU的context switch次数。 这个是系统层面的，加入想看特定进程的情况，可以使用pidstat。
|
1
2
3
4
5
6
7
|
$ vmstat
1
100
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- --system-- -----cpu------
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0
0
88
233484
288756
1784744
0
0
0
23
0
0
4
1
94
0
0
4
0
88
233236
288756
1784752
0
0
0
0
6202
7880
4
1
96
0
0
2
0
88
233360
288756
1784800
0
0
0
112
6277
7612
4
1
95
0
0
0
0
88
232864
288756
1784804
0
0
0
644
5747
6593
6
0
92
2
0
|
执行pidstat，将输出系统启动后所有活动进程的cpu统计信息：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
|
linux:~ # pidstat
Linux
2.6
.
32.12
-0.7
-
default
(linux)
06
/
18
/
12
_x
86
_
64
_
11:
37:
19
PID %usr %system %guest %CPU CPU Command
……
11:
37:
19
11452
0.00
0.00
0.00
0.00
2
bash
11:
37:
19
11509
0.00
0.00
0.00
0.00
3
dd
11:
37:
19:
pidstat获取信息时间点
PID: 进程pid
%usr: 进程在用户态运行所占cpu时间比率
%system: 进程在内核态运行所占cpu时间比率
%CPU: 进程运行所占cpu时间比率
CPU: 指示进程在哪个核运行
Command: 拉起进程对应的命令
备注:执行pidstat默认输出信息为系统启动后到执行时间点的统计信息，因而即使当前某进程的cpu占用率很高，输出中的值有可能仍为
0
。
|
上下文切换的性能消耗在哪里呢？
context switch过高，会导致CPU像个搬运工，频繁在寄存器和运行队列直接奔波 ，更多的时间花在了线程切换，而不是真正工作的线程上。直接的消耗包括CPU寄存器需要保存和加载，系统调度器的代码需要执行。间接消耗在于多核cache之间的共享数据。
引起上下文切换的原因有哪些？
对于抢占式操作系统而言， 大体有几种：
1、当前任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务；
2、当前任务碰到IO阻塞，调度线程将挂起此任务，继续下一个任务；
3、多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到，被调度器挂起，继续下一个任务；
4、用户代码挂起当前任务，让出CPU时间；
5、硬件中断；
工具：待补充
参考：
http://ifeve.com/java-concurrency-thread-directory/
http://ifeve.com/context-switch-definition/
http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1895728