Java基础夯实——2.7 线程上下文切换

线程上下文切换（Thread Context Switching）是操作系统在多线程环境中，切换CPU从执行一个线程的上下文到另一个线程的上下文的过程。这种切换是实现多线程并发执行的核心机制之一。

1 上下文:

线程的上下文指线程在某一时刻的执行状态,如：

1. CPU寄存器状态：线程当前的指令地址（程序计数器）以及其他寄存器的值。
2. 栈信息：线程的调用栈，包含函数调用信息和局部变量。
3. 线程本地存储：线程相关的局部变量和特定资源。
4. 线程控制块（TCB）：操作系统维护的线程管理数据结构，记录线程的优先级、状态等。

2 上下文切换过程

保存当前线程的上下文
操作系统暂停当前线程的执行，并保存其上下文信息到线程控制块（Thread Control Block, TCB）中。

选择下一个要运行的线程
操作系统的调度器根据调度策略（如优先级、时间片轮转等）从就绪队列中选出一个可以运行的线程。

加载目标线程的上下文
调度器将选中的目标线程的上下文从其线程控制块（TCB）中恢复到CPU中。恢复的内容包括：

• 恢复程序计数器，使CPU能够继续执行目标线程的下一条指令。
• 恢复寄存器的状态，确保目标线程的执行环境与切换前一致。
• 恢复堆栈指针和线程本地存储，保证调用栈和局部变量的正确性。

更新线程状态

• 将目标线程的状态从“就绪”更新为“运行”。
• 将前一个线程的状态更新为“阻塞”或“就绪”（取决于切换原因）。

恢复执行目标线程
目标线程的上下文完全加载到CPU后，操作系统将控制权交还给CPU，继续执行目标线程的下一条指令。这一过程对程序透明，线程不会感知到发生了上下文切换。

3 线程上下文切换的关键点

• 中断机制：大多数上下文切换通过中断触发，确保系统能够在适当时机检查需要切换的条件。
• 线程控制块（TCB）：保存和管理线程上下文的核心数据结构。
• 调度器决策：根据调度算法选择下一线程，平衡系统性能和资源利用率。

4 上下文切换的触发条件

线程上下文切换通常发生在以下情况：

1. 时间片耗尽：在时间片轮转调度中，当前线程运行时间用尽，操作系统切换到下一个线程。
2. 线程阻塞：线程因I/O操作或资源不可用进入阻塞状态，操作系统调度其他线程执行。
3. 高优先级线程就绪：更高优先级的线程准备好运行时，操作系统可能抢占当前线程。
4. 用户主动切换：通过API（如yield）让出CPU使用权。

5 上下文切换的开销

线程上下文切换会引入一定的性能开销，包括：

1. CPU开销：保存和恢复寄存器状态以及其他上下文信息。
2. 缓存污染：切换线程可能导致CPU缓存失效（Cache Miss），因为新线程的数据未必在缓存中。
3. 操作系统调度延迟：调度器需要决定下一个运行的线程，这也会耗费时间。

6 减少上下文切换的方法

1. 使用协程：协程切换在用户态完成，开销比线程切换小。
2. 优化线程数：根据实际工作负载合理分配线程，避免过多线程导致频繁切换。
3. 提高代码效率：减少线程阻塞的可能性，尽量让线程在可运行状态下持续工作。

7 相关问题

1. 什么是线程上下文切换？

线程上下文切换是指操作系统将CPU的执行权从一个线程切换到另一个线程的过程，用于实现并发执行。

核心概念：

• 线程上下文：指线程的执行状态，包括：
  • 程序计数器（PC）：记录线程正在执行的指令位置。
  • CPU寄存器内容：保存线程正在处理的数据和指令信息。
  • 栈指针（SP）：指向线程的调用栈，用于管理函数调用和局部变量。
  • 线程控制块（TCB）：记录线程的元信息，如优先级、状态等。

切换过程：

• 保存当前线程状态：暂停线程运行，将其上下文保存到内存。
• 加载目标线程状态：从目标线程的线程控制块中恢复其上下文，准备继续执行。

触发条件：

• 时间片耗尽。
• 当前线程阻塞（如等待I/O）。
• 高优先级线程需要运行。
• 用户主动调用切换API。

2. CPU时间片轮询机制

CPU时间片轮询机制（Time-Slice Round Robin）是一种操作系统调度策略，用于在多个线程或进程之间公平分配CPU资源。

• 时间片（Time Slice）：操作系统为每个线程分配的一段CPU执行时间。
• 轮询机制（Round Robin）：线程按照固定顺序排队，依次获得CPU时间片。

工作原理：

1. 调度器将线程放入就绪队列。
2. CPU运行队列中的第一个线程，并计时。
3. 时间片耗尽：
   • 如果线程未完成任务，则保存其上下文，并将其放回队列末尾。
   • 如果线程完成任务，则从队列中移除。
4. 调度器运行队列中的下一个线程。

适用场景：

• 适用于对交互响应要求较高的系统，如桌面操作系统。
• 不适合对实时性要求严格的系统。