Java并发——多线程性能问题 (四)

一、 什么是多线程性能问题

多线程性能问题指的是在使用多线程进行程序设计时，可能会遇到的性能下降、资源争用、上下文切换开销等问题。这些问题可能会导致程序运行效率降低，响应时间增加，甚至引发程序的不稳定性。

让多个线程同时工作，加快程序运行速度，为什么反而会带来性能问题呢？这是因为单线程程序是独立工作的，不需要与其他线程进行交互，但多线程之间则需要调度以及合作，调度与合作就会带来性能开销从而产生性能问题。

二、 多线程编程会有哪些性能问题

1. 上下文切换开销（调度开销）

实际开发中，线程数一般会大于 CPU 核心数。如 CPU 核心数可能是 8 核、16 核，但线程数可能达到成百上千个。操作系统就会按照一定的调度算法，给每个线程分配时间片，让每个线程都有机会得到运行。

当线程数过多时，操作系统需要频繁地进行上下文切换，这会导致额外的性能开销。上下文切换涉及到保存和恢复线程的状态，包括程序计数器、栈信息、寄存器等。

为了减少上下文切换的开销，可以尝试减少线程数、优化线程调度策略、使用线程池等技术

2. 内存同步和缓存失效（调度+同步开销）

缓存指的是CPU缓存（CPU Cache)

程序有很大概率会再次访问刚才访问过的数据，所以为了加速整个程序的运行，会使用缓存，这样我们在使用相同数据时就可以很快地获取数据。内存同步操作可能会导致缓存失效，增加额外的性能开销。进行了线程调度，切换到其他线程，CPU就会去执行不同的代码，原有的缓存就很可能失效了，需要重新缓存新的数据，这也会造成一定的开销，所以线程调度器为了避免频繁地发生上下文切换，通常会给被调度到的线程设置最小的执行时间，也就是只有执行完这段时间之后，才可能进行下一次的调度，由此减少上下文切换的次数。

3.资源争用和锁竞争（同步开销）

多个线程同时访问共享资源时，可能会发生资源争用和锁竞争，导致线程阻塞和性能下降。为了减少资源争用和锁竞争，可以采用以下策略：

使用合适的同步机制，如锁、信号量、条件变量等，确保线程之间的有序访问和互斥访问。

尽量避免持有锁的时间过长，减少锁的粒度，降低锁的争用概率。

使用无锁数据结构或算法，如原子操作、CAS（Compare-and-Swap）等，来减少锁的使用。

4.线程创建和销毁开销

线程的创建和销毁需要消耗一定的时间和资源，当线程数过多时，会导致性能下降。为了减少线程创建和销毁的开销，可以使用线程池来管理线程的生命周期，实现线程的复用。线程池可以预先创建一定数量的线程，并在需要时从池中获取线程执行任务，从而避免频繁地创建和销毁线程。