为什么线程的sleep时间不准确？

在我们日常编程的过程中，经常会遇到一个问题：线程的sleep时间似乎并不像我们想象的那样准确，比如我们让线程sleep 100ms，实际sleep的时间经常是大于这个时间的。那么，为什么线程的sleep时间不准确呢？让我们来一探究竟。

线程状态：生命周期的五个阶段

首先我们需要了解一下线程的生命周期，线程的生命周期可以分为5个状态：

1. 新生状态：线程对象被创建出来，但还没有开始运行。想象一下，这就像你买了一台新电脑，但还没有开机启动一样。
2. 就绪状态：线程已经准备好运行，只是在等待系统分配CPU资源。这就像你已经打开了电脑，程序加载完毕，只等你开始操作一样。
3. 运行状态：线程正在执行自己的代码，就像你正在使用电脑进行各种操作一样。
4. 阻塞状态：线程暂时停止执行，等待某些条件满足后再继续运行。这就像你正在玩电脑游戏，突然有人打电话来，你需要暂停游戏去接电话一样。
5. 死亡状态：线程执行完毕或被强制终止，就像你关闭电脑一样。

Sleep时间不准确的原因

休眠并非即刻醒来

当我们调用线程的sleep方法时，线程会进入阻塞状态，等待指定的时间后再恢复到就绪状态。然而，这个“恢复到就绪状态”并不意味着线程立即就会开始运行，它还需要等待系统分配CPU资源。因此，实际的sleep时间可能会超出我们设定的时间，这就是线程sleep时间不准确的主要原因。

上下文切换的额外消耗

此外，还有一些其他因素也会影响线程sleep的准确性，例如上下文切换的开销。每次线程切换，都需要保存当前线程的状态（例如寄存器的值、执行的地址空间等）并加载新线程的状态，这个过程是需要时间的。同时，CPU缓存中的数据也可能因为线程切换而失效，从而导致CPU需要从内存中重新读取数据，这也会增加额外的时间开销。

线程的调度：谁先运行

上面我们提到线程就绪后等待系统分配CPU资源是sleep时间超出的主要原因。那么，系统是如何决定哪个线程应该获得CPU资源的呢？这就涉及到了线程调度的问题。

线程调度是操作系统中的一项重要功能，其目标是使系统的运行尽可能高效。线程调度需要考虑的因素很多，包括用户需求（例如响应时间、周转时间等）、系统需求（例如吞吐量、CPU利用率等）、线程的优先级、资源平衡等。

在实际的线程调度中，往往需要在不同的需求之间做出权衡。例如，如果我们希望系统的响应时间尽可能小，那么就需要频繁地进行线程切换；但是，线程切换会带来额外的开销，从而降低系统的吞吐量和CPU利用率。这就像我们在玩游戏和接电话之间做出选择一样，无论我们选择哪一个，都需要牺牲另一个，而且选择之后还要想想刚才进行到哪里了。

如何做出决策

线程调度的时机通常在操作系统内核对中断/异常/系统调用处理后返回到用户态时。例如：

• 当你正在使用文本编辑器写作时，突然移动了鼠标，操作系统就需要处理这个鼠标移动的中断，处理完毕后可能就会切换到其他线程，如音乐播放器线程。
• 你的浏览器线程在运行过程中出现了异常，操作系统处理完异常后，可能会切换到其他正常运行的线程，如邮件客户端线程。
• 你的下载线程请求读取硬盘文件，操作系统在处理完这个系统调用后，可能会切换到其他线程，如视频播放线程。

具体的调度算法根据操作系统的不同而不同，例如UNIX使用的是动态优先数算法，Linux使用的是抢占式算法（CFS完全公平调度算法），而Windows使用的是基于动态优先级的抢占式多任务调度。这些算法的细节这里就不赘述了，有兴趣的可以去查询一下。

总的来说，线程的sleep时间不准确主要是由于线程调度和上下文切换的开销导致的。在实际的编程中，我们需要意识到这一点，避免过度依赖sleep的准确性。