从Java视角理解系统结构(一)CPU上下文切换

在高性能编程时,经常接触到多线程. 起初我们的理解是, 多个线程并行地执行总比单个线程要快, 就像多个人一起干活总比一个人干要快. 然而实际情况是, 多线程之间需要竞争IO设备, 或者竞争锁资源,导致往往执行速度还不如单个线程. 在这里有一个经常提及的概念就是: 上下文切换(Context Switch).

上下文切换的精确定义可以参考: http://www.linfo.org/context_switch.html。下面做个简单的介绍. 多任务系统往往需要同时执行多道作业.作业数往往大于机器的CPU数, 然而一颗CPU同时只能执行一项任务, 如何让用户感觉这些任务正在同时进行呢? 操作系统的设计者巧妙地利用了时间片轮转的方式, CPU给每个任务都服务一定的时间, 然后把当前任务的状态保存下来, 在加载下一任务的状态后, 继续服务下一任务. 任务的状态保存及再加载, 这段过程就叫做上下文切换. 时间片轮转的方式使多个任务在同一颗CPU上执行变成了可能, 但同时也带来了保存现场和加载现场的直接消耗。 (Note. 更精确地说, 上下文切换会带来直接和间接两种因素影响程序性能的消耗. 直接消耗包括: CPU寄存器需要保存和加载, 系统调度器的代码需要执行, TLB实例需要重新加载, CPU 的pipeline需要刷掉; 间接消耗指的是多核的cache之间得共享数据, 间接消耗对于程序的影响要看线程工作区操作数据的大小).

在linux中可以使用vmstat观察上下文切换的次数. 执行命令如下:

vmstat 1指每秒统计一次, 其中cs列就是指上下文切换的数目. 一般情况下, 空闲系统的上下文切换每秒大概在1500以下.

对于我们经常使用的抢占式操作系统来说, 引起上下文切换的原因大概有以下几种: 1. 当前执行任务的时间片用完之后, 系统CPU正常调度下一个任务 2. 当前执行任务碰到IO阻塞, 调度器将挂起此任务, 继续下一任务 3. 多个任务抢占锁资源, 当前任务没有抢到,被调度器挂起, 继续下一任务 4. 用户代码挂起当前任务, 让出CPU时间 5. 硬件中断. 前段时间发现有人在使用futex的WAIT和WAKE来测试context switch的直接消耗(链接), 也有人使用阻塞IO来测试context switch的消耗(链接).那么Java程序怎么测试和观察上下文切换的消耗呢?

我做了一个小实验, 代码很简单, 有两个工作线程. 开始时,第一个线程挂起自己; 第二个线程唤醒第一个线程,再挂起自己; 第一个线程醒来之后唤醒第二个线程, 再挂起自己. 就这样一来一往,互相唤醒对方, 挂起自己. 代码如下:

编译后,在我自己的笔记本上( Intel(R) Core(TM) i5 CPU M 460 @ 2.53GHz, 2 core, 3M L3 Cache) 用测试几轮,结果如下:

我们会发现这么简单的for循环, 线性执行会非常快,不需要1秒, 而执行这段程序需要几十秒的耗时. 每个上下文切换需要耗去十几us的时间,这对于程序吞吐量的影响很大.

同时我们可以执行vmstat 1 观查一下上下文切换的频率是否变快

再使用strace观察以上程序中Unsafe.park()究竟是哪道系统调用造成了上下文切换:

果然还是futex.

再使用perf看看上下文对于Cache的影响:

1分半钟内有255万多次cache未命中.

嗯, 貌似太长了, 可以结束了. 接下来会继续几篇博文继续分析一些有意思的东西. (1) 从Java视角看内存屏障 (Memory Barrier) (2) 从java视角看CPU亲缘性 (CPU Affinity) 等..敬请关注

PS. 其实还做了一个实验, 测试CPU Affinity对于Context Switch的影响.

这个命令把进程绑定在0号CPU上,结果Context Switch的消耗小了一个数量级, 什么原因呢? 卖个关子, 在谈到CPU Affinity的博文再说 :)。

原文发布于微信公众号 - IT技术精选文摘(ITHK01)

原文发表时间:2017-11-09

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

来自专栏小灰灰

Quick-Task 动态脚本支持框架之使用介绍篇

文章链接:https://liuyueyi.github.io/hexblog/2018/07/19/180719-Quick-Task-动态脚本支持框架之使用...

652
来自专栏阿杜的世界

Spring实战6-利用Spring和JDBC访问数据库主要内容

写在前面:经过上一篇文章的学习,我们掌握了如何写web应用的控制器层,不过由于只定义了SpitterRepository和SpittleRepository接口...

511
来自专栏Android源码框架分析

听说你Binder机制学的不错,来面试下这几个问题(一)

1663
来自专栏微信公众号:Java团长

Java多线程的应用场景和应用目的举例

多线程用于堆积处理,就像一个大土堆,一个推土机很慢,那么10个推土机一起来处理,当然速度就快了,不过由于位置的限制,如果20个推土机,那么推土机之间会产生相互的...

591
来自专栏aoho求索

认证鉴权与API权限控制在微服务架构中的设计与实现(三)

引言: 本文系《认证鉴权与API权限控制在微服务架构中的设计与实现》系列的第三篇,本文重点讲解token以及API级别的鉴权。本文对涉及到的大部分代码进行了分析...

4544
来自专栏ThoughtWorks

Spring Batch在大型企业中的最佳实践|洞见

在大型企业中,由于业务复杂、数据量大、数据格式不同、数据交互格式繁杂,并非所有的操作都能通过交互界面进行处理。而有一些操作需要定期读取大批量的数据,然后进行一系...

3177
来自专栏Spark学习技巧

Java多线程的应用场景和应用目的举例

823
来自专栏Linyb极客之路

多线程的应用场景

多线程用于堆积处理,就像一个大土堆,一个推土机很慢,那么10个推土机一起来处理,当然速度就快了,不过由于位置的限制,如果20个推土机,那么推土机之间会产生相互的...

312
来自专栏一名叫大蕉的程序员

今天聊聊分布式锁 No.86

首先祝大家新年快乐,感谢大家过去一年的陪伴。大蕉在这里给大家拜年啦啦。新年快乐,我爱学习。 恭喜发财,红包拿来~ 好了切入正题,一直在工作中会聊到很多锁的问题,...

45913
来自专栏Java后端技术

SpringBoot各类扩展点详解

  上篇文章我们深入分析了SpringBoot的一站式启动流程。然后我们知道SpringBoot的主要功能都是依靠它内部很多的扩展点来完成的,那毋容置疑,这些扩...

733

扫描关注云+社区