什么是线程上下文切换？

通常有四种情况会发生线程上下文切换。第一种是时间片耗尽，操作系统为每个线程分配了一个时间片，当线程的时间片用完后，操作系统会强制切换到其他线程，这是为了保证多个线程能够公平地共享 CPU 资源。第二种是线程主动让出 CPU，当线程调用了某些方法，如 Thread.sleep()、Object.wait() 或 LockSupport.park()等，会使线程主动让出 CPU，导致上下文切换。第三种是调用了阻塞类型的系统中断，比如：线程执行 I/O 操作时，由于 I/O 操作通常需要等待外部资源，线程会被挂起，会触发上下文切换。第四种是被终止或结束运行。 线程上下文切换的过程，分为四步。第一步是保存当前线程的上下文，将当前线程的寄存器状态、程序计数器、栈信息等保存到内存中。第二步是根据线程调度算法，如：时间片轮转、优先级调度等，选择下一个要运行的线程。第三步是加载下一个线程的上下文，从内存中恢复所选线程的寄存器状态、程序计数器和栈信息。第四步是 CPU 开始执行被加载的线程的代码。

定义

线程上下文切换（Thread Context Switch）：
是操作系统在多线程执行时，将 CPU 从一个线程切换到另一个线程的过程，涉及保存当前线程的状态并加载新线程的状态。

核心点

目的：实现多线程并发。
代价：切换涉及时间和资源开销。

1. 线程上下文切换详解

(1) 基本概念

上下文：
线程运行时的状态，包括：
- 寄存器：如程序计数器（PC）、栈指针。
- 线程栈：局部变量、调用栈。
- 状态：如运行、等待。
切换过程：
CPU 暂停当前线程，保存上下文到内存（PCB，进程控制块或线程控制块）。
加载新线程的上下文到 CPU，继续执行。

(2) 触发场景

时间片用尽：
多线程抢占式调度，时间片到期。
线程阻塞：
如等待 I/O、锁、调用 sleep()。
线程优先级：
高优先级线程抢占。
手动让出：
调用 Thread.yield()。

(3) 执行步骤

保存当前线程：
寄存器值（如 PC、SP）存入线程的栈或 PCB。
调度新线程：
操作系统选择就绪队列中的线程。
加载新线程：
将新线程的上下文恢复到寄存器。
切换执行：
CPU 开始执行新线程代码。

2. 开销与影响

(1) 时间开销

直接开销：
保存和加载上下文，约几微秒到几十微秒（视硬件和 OS）。
间接开销：
缓存失效（CPU Cache 未命中）。
TLB（翻译后备缓冲器）刷新。

(2) 系统影响

性能：
频繁切换降低吞吐量。
响应性：
适度切换提升多任务并行。

示例

线程 A 执行中，调用 sleep(1000)：
A 的上下文保存。
切换到线程 B，B 执行。
1 秒后，A 恢复。

3. Java 中的体现

(1) JVM 与 OS

Java 线程由 JVM 管理，映射到操作系统原生线程。
上下文切换由 OS 内核完成，JVM 无直接控制。

(2) 相关方法

Thread.sleep()：
触发切换，进入 Timed Waiting。
Thread.yield()：
让出 CPU，回到 Runnable。
wait()：
等待时切换至其他线程。

(3) 查看切换

工具：
JVisualVM、Thread Dump 分析线程状态。
指标：
上下文切换次数（Linux：vmstat 的 cs 列）。

4. 延伸与面试角度

与进程切换对比：
线程切换：同一进程内，共享内存，较轻量。
进程切换：不同进程，切换地址空间，开销大。
优化策略：
减少线程数：用线程池。
避免频繁阻塞：异步 I/O。
调整优先级：减少抢占。
实际应用：
高并发：Web 服务器线程切换频繁。
实时系统：尽量减少切换。
面试点：
问“定义”时，提保存和加载。
问“影响”时，提开销和优化。

总结

线程上下文切换是 OS 为多线程分配 CPU 的过程，保存当前线程状态并加载新线程，开销包括时间和缓存。Java 中由 OS 控制，影响性能和响应性。面试时，可提触发场景或优化方法，展示理解深度。