Java高频面试之并发编程-06
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面试官：线程上下文切换是什么？
线程上下文切换（Thread Context Switching）是操作系统中 CPU 从一个线程切换到另一个线程执行的过程。它本质上是保存当前线程的执行状态（上下文），并加载下一个线程的状态，使得 CPU 可以继续执行新线程的任务。
为什么需要上下文切换？
- 多线程并发需求：CPU 核心数有限（如 4 核），但操作系统需要同时运行成百上千的线程，必须通过快速切换线程来模拟“并行”。
- 线程状态变化：线程可能主动让出 CPU（如等待 I/O、锁、睡眠）或被系统强制切换（如时间片用完）。
上下文切换的步骤
- 保存当前线程的上下文
将当前线程的寄存器（如程序计数器 PC、栈指针 SP）、状态信息等保存到内存（通常是线程控制块 TCB）。 - 选择下一个要运行的线程
由调度器（Scheduler）根据算法（如时间片轮转、优先级）选择就绪队列中的线程。 - 加载新线程的上下文
从新线程的 TCB 中恢复寄存器、程序计数器、栈指针等，开始执行新线程。
触发上下文切换的常见场景
- 时间片耗尽：CPU 分配给线程的时间片用完，强制切换。
- 线程主动让出 CPU：如调用
sleep(),wait(),yield()，或等待 I/O 完成。 - 高优先级线程抢占：高优先级线程就绪时，可能抢占当前线程。
- 中断处理：硬件中断（如磁盘 I/O 完成）触发中断服务程序执行。
上下文切换的性能代价
- 直接开销：保存/恢复上下文需要 CPU 时间（通常数百到数千时钟周期）。
- 间接开销：切换后 CPU 缓存（Cache）可能失效，导致新线程运行时需要重新加载数据到缓存。
- 高并发时问题放大：频繁切换会导致 CPU 时间浪费在管理线程而非执行任务，严重时引发性能下降（如 C10k 问题）。
如何减少上下文切换？
- 减少线程数：
使用线程池（如ThreadPoolExecutor）复用线程，避免频繁创建/销毁线程。 - 非阻塞 I/O：
使用异步 I/O（如 NIO）代替同步阻塞 I/O，减少线程等待。 - 无锁编程：
使用无锁数据结构（如ConcurrentLinkedQueue）或 CAS 操作，减少线程竞争。 - 协程（用户态线程）：
协程的切换在用户态完成（无需内核介入），开销远低于线程切换（如 Go 的 Goroutine）。
示例：上下文切换的影响
假设一个 4 核 CPU 运行 100 个活跃线程：
- 每个时间片假设为 10ms，每 10ms 可能触发一次切换。
- 频繁切换会导致 CPU 忙于切换而非执行有效任务，实际吞吐量下降。
总结
| 核心点 | 说明 |
|---|---|
| 本质 | CPU 从一个线程切换到另一个线程时保存和恢复状态的过程。 |
| 性能关键 | 频繁切换会显著降低系统吞吐量，尤其在多线程高并发场景。 |
| 优化方向 | 减少线程数、异步 I/O、无锁设计、协程等。 |
| 与进程切换区别 | 进程切换涉及虚拟内存等资源切换，开销更大；线程切换仅切换线程私有资源。 |
