上下文切换与原子操作

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并发编程的目的是为了让程序运行得更快，但是并不是启动更多的线程就能让程序最大 限度地并发执行。在进行并发编程时，如果希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，会面临非常多的挑战，比如上下文切换的问题、死锁的问题，以及受限于硬 件和软件的资源限制问题，本文要研究的是上下文切换的问题。

什么是上下文切换

即使是单核CPU也支持多线程执行代码，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，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程时同时执行的，时间片一般是几十毫秒（ms）。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，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，可以再次加载这个任务的状态，从任务保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

这就像我们同时读两本书，当我们在读一本英文的技术书籍时，发现某个单词不认识， 于是便打开中英文词典，但是在放下英文书籍之前，大脑必须先记住这本书读到了多少页的第多少行，等查完单词之后，能够继续读这本书。这样的切换是会影响读 书效率的，同样上下文切换也会影响多线程的执行速度。

对应到多线程任务中，频繁的上下文切换会加大系统的开销（主要是内存和CPU寄存器），同时降低程序的执行速度。

原子性与原子操作

先来看一个例子：

在某些JVM中"a += b"可能要经过这样三个步骤：

（1）取出a和b

（2）计算a+b

（3）将计算结果写入内存

如果有两个线程t1,t2在进行这样的操作。t1在第二步做完之后还没来得及把数据写回内存就被线程调度器中断了，于是t2开始执行，t2执行完毕后t1又把没有完成的第三步做完。这个时候就出现了错误，相当于t2的计算结果被无视掉了。

所谓原子操作是指不会被 线程调度 机制打断的操作； 这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。通常所说的原子操作包括对非long和double型的primitive进行赋值，以及返回这两者之外的primitive。

说明：JVM可以将64位（long和double）的读取和写入当做两个分离的32位操作来执行，这就产生了一个读取和写入操作中间发生的上下文切换，从而导致不同的任务可以产生不正确的结果，这种现象也被称之为“字撕裂”

参考文献：

《Java编程思想》

《 深入理解 Java 内存模型 》