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 |
java
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);
}
}
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
java
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();
}
运行结果
java
用户线程执行: 0
用户线程执行: 1
用户线程执行: 2
守护线程执行
java
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");
}
运行结果
java
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
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
java
Thread.startVirtualThread(() -> {
System.out.println("hello world I am a VirtualThread");
});
- 通过
Thread.Builder.OfVirtual
方式
java
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");
});
- 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
java
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);
}
}));
}
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
java
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();
}
}
先用普通线程执行一遍任务,统计耗时
java
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));
}
运行结果
java
user thread cost:177ms
用虚拟线程再执行一遍
java
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");
}
运行结果
java
virtual thread cost:53ms
177ms缩减至53ms,效果非常显著!