【Java并发编程】Java多线程（二）：多线程一定好吗？线程阻塞时占用CPU吗？

怼烎@ 2022-12-07 01:25 250阅读 0赞

## 1.多线程一定好吗？ ##

### 1.1 多线程优势 ###

1）阻塞等待时充分利用 CPU

当程序发生阻塞的操作时候，例如IO等待，CPU将就空闲下来了。而使用多线程，当一些线程发生阻塞的时候，另一些线程则仍能利用CPU，而不至于让CPU一直空闲。

2）利用 CPU 的多核并行计算能力

现在的CPU基本上都是多核的。使用多线程，可以利用多核同时执行多个线程，而不至于单线程时一个核心满载，而其他核心空闲。

### 1.2 多线程弊端 ###

1）线程切换是有开销的，这会导致程序运行变慢。

2）多线程程序必须非常小心地同步代码，否则会引起死锁。

3）多线程程序极难调试，并且一些bug非常隐蔽，可能你99次运行都是对的，但是有1次是错的。不像单线程程序那么容易暴露问题。

### 1.3 代码测试 ###

分别创建 1，10,100,1000,10000 个线程一共做100000000循环

public class CounterDemo {
        
    
    
        private static final long num = 1000000000L;
    	
        // 执行循环，即每个线程的任务
        public static void splitCount(int threadNum) {
        
            // 通过num/threadNum计算每个线程要循环的次数，
            // 若一个线程则1000000000次，若 100000个线程则1000次
            for (long i = 0; i < num/threadNum; i++) {
        }
        }
    
        public static long getIntervalTimeToNow(long startTime) {
        
            return System.currentTimeMillis() - startTime;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
            countWithMultithread(1); // 1个线程
            countWithMultithread(10); // 10个线程
            countWithMultithread(100); // 100个线程
            countWithMultithread(1000); // 1000个线程
            countWithMultithread(10000); // 10000个线程
        }
    
        private static void countWithMultithread(final int threadNum) throws InterruptedException {
        
            long startTime;
            Runnable splitCount = new Runnable() {
         
                @Override
                public void run() {
        
                    CounterDemo.splitCount(threadNum); // 每个线程需要做的事就是循环
                }
            };
            List<Thread> list = new ArrayList<>(); // 保存创建的线程们
            for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
         // 创建threadNum个线程
                Thread thread1 = new Thread(splitCount); // 传入线程执行循环次数
                list.add(thread1);
            }
            startTime = System.currentTimeMillis(); // 开始时间
            for (Thread th: list) {
        
                th.start(); 
            }
            for (Thread th: list) {
        
                // 保证所有线程都在main之前运行完
                th.join();
            }
            System.out.println(String.format("%1$9d", threadNum) + " thread 
                               need:"+String.format("%1$6d",getIntervalTimeToNow(startTime)));
        
    }

1 thread need:   409
           10 thread need:    92
          100 thread need:   140
         1000 thread need:   226
        10000 thread need:   978  // 10000个线程反而比1个线程执行时间长
       100000 thread need: 10059  // 效率反而下降了

执行的时候，使用vmstat 查看 CS (context switch)切换次数

vmstat 1
    r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st
    0  0      0 2701584 151472 9676072    0    0     0    60  393  419  0  0 100  0  0
    0  0      0 2701708 151472 9676084    0    0     0     0  751  751  1  0 99  0  0
    0  0      0 2701708 151472 9676092    0    0     0     0  354  384  0  0 100  0  0
    0  0      0 2701708 151472 9676096    0    0     0     0  435  464  0  0 100  0  0
    0  0      0 2701708 151472 9676108    0    0     0    72  439  491  0  0 100  0  0
    2  0      0 2701708 151472 9676128    0    0     0    32  381  453  0  0 100  0  0
    1  0      0 2680344 151472 9676168    0    0     0     4 6077 4869 21  1 78  0  0
    4  0      0 2664740 151472 9676180    0    0     0     0 126656 149528 17 11 72  0  0
    3  0      0 2564376 151472 9676188    0    0     0     0 107107 138418 12 11 77  0  0
    3  0      0 2565556 151472 9676196    0    0     0     0 128143 166234  7 14 79  0  0
    4  0      0 2563056 151472 9676204    0    0     0    64 125162 163707  7 13 79  0  0
    3  0      0 2567808 151472 9676208    0    0     0     0 136266 180092  7 13 80  0  0
    2  0      0 2566560 151472 9676216    0    0     0     0 117768 154666  7 14 79  0  0
    1  0      0 2568276 151472 9676220    0    0     0     0 107585 139240  8 13 79  0  0

上下文切换最多的时候每秒切换了 18W+次：线程切换时需要保存当前线程的数据和函数栈

*  当前任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务；
 *  当前任务碰到IO阻塞，调度线程将挂起此任务，继续下一个任务；
 *  多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到，被调度器挂起，继续下一个任务；
 *  用户代码挂起当前任务，让出CPU时间；
 *  硬件中断；

## 2.线程阻塞时占用CPU吗？ ##

先说答案：阻塞不占用 CPU 时间，当某个线程阻塞时，该会触发 CPU 调度，即让新的线程在该 CPU 上运行（这也验证了上面说多的多线程的优势）。

### 2.1 CPU初始状态 ###

![20180208132744328_pic_center][]

### 2.2 线程运行 ###

public static void main(String[] args) {
        
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
        
            System.out.println("dfdf");
            System.out.println(456 + 567);
        }
    }

可以看出cpu的利用率飙升到了65%，这时候 cpu 占用率已经很高了。  
![2018020813304656_pic_center][]

### 2.3 进入TIMED\_WAITING 状态 ###

public static void main(String[] args) {
        
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
        
            try {
        
                Thread.sleep(100000);
            } catch (InterruptedException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

下图可见 CPU 的利用率还是在 7% 左右，由此可以证明 sleep 方法并不会占用 CPU 的时间

![20180208133257581_pic_center][]

### 2.4 进入WAITING 状态 ###

public static void main(String[] args) {
        
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
        
            Object o = new Object();
            synchronized (o) {
        
                try {
        
                    o.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

下图可见 CPU 利用率是 6% ，由此可以证明wait方法也不会占用CPU的时间  
![20180208133635746_pic_center][]

[20180208132744328_pic_center]: /images/20221123/7e8d59d6e6f54cfe8ff66791117cf14e.png
[2018020813304656_pic_center]: /images/20221123/b2aea661ee57469999e06cc900662b14.png
[20180208133257581_pic_center]: /images/20221123/a9c756a083d64850a9de6fff991edb99.png
[20180208133635746_pic_center]: /images/20221123/cada2f9744ac4a23bec40accc147863b.png