技术面：Java并发（上下文切换、线程安全、并发与并行、守护线程、虚拟线程）

接快背 · 昨天 10:24

多线程中的上下文切换是什么？

上下文切换

是指CPU从一个线程切换到另一个线程时，需要保存当前线程的上下文状态，然后恢复另一个线程的上下文状态，这样下次恢复执行该线程时也能够正确的执行。
多线程中的上下文切换

在多线程的情况下，线程上下文的切换是一种常见的操作，通常是在一个CPU上，由于多个线程共享CPU的时间片，一个线程的时间片用完后，切换到另一个线程运行时，要保存当前线程的状态信息，包括程序计数器，寄存器，栈指针等。以便下次执行该线程时，能恢复到正确的状态。
由于是在多线程的情况下，所以上下文切换的开销比单线程的开销大，因为多线程下需要保存和恢复更多的上下文信息。过多的上下文切换会降低系统的运行效率，因此需尽可能少的避免线程上下文切换次数。
避免频繁切换上下文的方法：

降低线程数，通过合理的线程池来管理线程，减少线程的创建和销毁，并不是线程数越多越好，合理的线程数可以避免线程过多的上下文切换。
采用无锁并发编程，可以避免线程因等待锁而进入阻塞状态，从而减少上下文切换的发生。
用CAS算法，CAS这种乐观锁的算法，可以避免线程的阻塞和唤醒操作，从而减少上下文切换。
合理是使用锁，在使用锁的过程中，避免过多地使用同步块或同步方法，一定要用的化，要尽量缩小同步块儿和同步方法的范围，从而减少线程的阻塞时间，减少上下文的切换。
使用协程（JDK19的虚拟线程），这是一种用户态的线程，其切换不需要操作系统的参与，因此可以避免上下文的切换（JVM层面还是会有一些保存和恢复线程的状态）。

你觉得什么是线程安全？

线程安全是指在多线程并发的情况下，能够正确的处理多线程之间的共享变量，使程序能够正确的执行。
这里所说的程序能够正确执行，主要是满足所谓的原子性、有序性和可见性。
共享变量

共享变量，即所有线程都可以操作的变量。
在操作系统中，进程是分配资源的基本单位，线程是执行的基本单位，因此多个线程是可以共享进程中的数据。在JVM中，堆和方法区的区域是多个线程共享的数据区域。
那么哪些变量是保存在堆和方法区中的呢，哪些变量又是保存在栈中的呢？
堆方法区（元空间）栈类变量实例变量局部变量

public class VarTest {
/**
* 类变量
*/
public static String ClassVar = "ClassVar";
/**
* 实例变量
*/
public String entityVar = "entityVar";
/**
* 局部变量
*/
public void logMethodVar(){
// 局部变量
int methodIntVar = 1;
System.out.println(methodIntVar);
}
}

复制代码

并行和并发有什么区别

并发（concurrency），在操作系统中，同一时间有多个程序处于运行中，且这几个程序是在同一个CPU中执行。
对于单个CPU来说，同一时间只能干一件事情，为了看起来像是同事干多件事情，操作系统把CPU的时间划分成长短基本相同的时间区间，也就是“时间片”，通过操作系统的管理，把这些时间片依次轮流地分配给各个用户使用。
并行（parallel），当操作系统有一个以上的CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互相不抢占CPU资源，可以同时进行。

两者的关键性区别

并行是物理上的同时执行，而并发是逻辑上的同时执行。
并行通常需要更多硬件资源（如多核CPU），并发则更注重任务调度的效率。
并行的目标是加速单个任务（通过拆分任务并行处理），而并发的目标是处理更多任务（通过快速切换）。

守护线程与普通线程有什么区别

守护线程（Daemon Thread）和普通用户线程（User Thread），是两种不同类型的线程，两者都是可以通过Thread类或Runnable接口创建的。
两者最大的区别在于：JVM会等待所有普通用户线程执行完毕后才退出。JVM不会等待守护线程完成，当所有普通线程结束时，JVM会强制终止所有守护线程。
守护线程一般被用来执行后台任务，最典型的场景就是JVM的GC（垃圾回收器）。
还有一些场景例如：

日志记录（异步写入日志）
定时任务监控（如心跳检测）
资源清理（缓存清理）
JDK19出现的虚拟线程，也是守护线程。

普通线程

public static void userThreadRun(){
Thread userThread = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
System.out.println("用户线程执行: " + i);
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
userThread.start();
}

复制代码

运行结果

用户线程执行: 0
用户线程执行: 1
用户线程执行: 2

复制代码

守护线程执行

public static void daemonThreadRun() throws InterruptedException {
Thread daemonThread = new Thread(() -> {
while (true) {
System.out.println("守护线程执行");
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
daemonThread.setDaemon(true);
daemonThread.start();
// 主线程（用户线程）执行完后，JVM退出，守护线程被强制终止
Thread.sleep(3000);
System.out.println("主线程结束");
}

复制代码

运行结果

守护线程执行
守护线程执行
守护线程执行
守护线程执行
守护线程执行
守护线程执行
主线程结束

复制代码

守护线程daemonThread会无限循环打印，但当主线程结束时，守护线程会被JVM强制终止。
JDK21中的虚拟线程是什么？

虚拟线程？协程？

虚拟线程可能比较陌生，但是如果说叫协程是不是听着就比较熟悉了，如果有了解Go、Ruby、Python语言的，对协程肯定不陌生了。
Java中在JDK21中，正式将协程以虚拟线程的形式发布出来了。在之前的JDK版本中Java的线程模型比较简单，每一个Java线程对应一个操作系统中的轻量级进程，这种线程模型中的线程创建、析构及同步等动作，都需要进行系统调用。而系统调用则需要在用户态(User Mode)和内核态(KerneMode)中来回切换，所以性能开销还是很大的。
虚拟线程，是JDK 实现的轻量级线程，可以避免上下文切换带来的的额外耗费。实现原理其实是JDK不再是每一个线程都一对一的对应一个操作系统的线程了，而是会将多个虚拟线程映射到少量操作系统线程中，通过有效的调度来避免那些上下文切换。

虚拟线程和普通线程的区别

虚拟线程总是守护线程。setDaemon(false)方法不能将虚拟线程更改为非守护线程。所以，需要注意的是，当所有启动的非守护线程都终止时，JVM将终止。这意味着JVM不会等待虚拟线程完成后才退出。
即使使用setPriority()方法，虚拟线程始终具有normal的优先级，且不能更改优先级。在虚拟线程上调用此方法没有效果。
虚拟线程是不支持stop()、suspend()或resume()等方法。这些方法在虚拟线程上调用时会抛出UnsupportedOperationException异常。

虚拟线程的使用

在JDK21中创建虚拟线程的方式有以下几种

通过Thread.startVirtualThread方式

Thread.startVirtualThread(() -> {
System.out.println("hello world I am a VirtualThread");
});

复制代码

通过Thread.Builder.OfVirtual方式

Thread.Builder.OfVirtual myVirtualThread = Thread.ofVirtual().name("my-virtual-thread");
myVirtualThread.start(() -> {
System.out.println("hello world I am a VirtualThread from Thread.Builder.OfVirtual");
});

复制代码

线程池也支持虚拟线程了，也可以通过Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()来创建虚拟线程

try(var executors = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor()){
IntStream.range(0,100).forEach(i -> executors.execute(() -> {
System.out.println("hello world I am a VirtualThread from Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor(),"+i);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}));
}

复制代码

但是，官方并不建议虚拟线程和线程池一起用，主要就是不想让虚拟线程进行池化，因为像所有资源池一样、线程池旨在共享昂贵的资源，但虚拟线程并不昂贵，因此永远不需要将它们池化。
实际来对比一下性能

先创建一个简单的任务

public class TestTask implements Runnable{
public void baseTask(){
IntStream.range(0,100).forEach(i -> {
double a = Math.pow(i,2);
});
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
@Override
public void run() {
baseTask();
}
}

复制代码

先用普通线程执行一遍任务，统计耗时

public void testUserTask(){
// 100个线程，100个任务，普通线程来执行
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
long start = System.currentTimeMillis();
IntStream.range(0,100).forEach(i -> {
executorService.submit(new TestTask());
});
executorService.shutdown();
try {
executorService.awaitTermination(Long.MAX_VALUE,java.util.concurrent.TimeUnit.MILLISECONDS);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println("user thread cost:"+(System.currentTimeMillis()-start));
}

复制代码

运行结果

user thread cost:177ms

复制代码

用虚拟线程再执行一遍

public void tesVirtualTask(){
long start = System.currentTimeMillis();
IntStream.range(0,1000).forEach(i -> {
Thread.startVirtualThread(() -> {
new TestTask().run();
});
});
System.out.println("virtual thread cost:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
}

复制代码

运行结果

virtual thread cost:53ms

复制代码

177ms缩减至53ms，效果非常显著！

来源：豆瓜网用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除

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