为何Java多线程运行计算密集型任务比单线程慢数倍？

我编写了如下Java方法，在本地运行耗时约1秒：

/**
 * This method takes about one second to run.
 */
private long eseguiUnitàDiLavoro() {
    double x, y = 1000;
    final long start_time, stop_time;

    start_time = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 20000000; i++) {
        x = Math.random();
        y = y / Math.atan(x);
    }
    stop_time = System.currentTimeMillis();
    return stop_time - start_time;
}

单线程连续运行该方法5次（L0至L4），各次耗时分别为1099ms、1114ms、1099ms、1098ms、1100ms，总耗时约5510ms，符合预期。

但将该方法封装为线程并启动5个线程运行时，各线程耗时分别为15729ms、15635ms、15557ms、15714ms、15604ms，总耗时约15745ms。

我原本预期多线程总耗时与单线程单任务耗时相近，或各线程耗时约5秒且同时结束，但实际多线程整体比单线程慢约3倍，每个线程耗时约15秒。请问我存在哪些误解？为何多线程处理效率如此低下？

核心误解 #

• 误以为CPU密集型任务能通过多线程线性提升效率：多线程对IO密集型任务（如文件读写、网络请求）提升明显，但CPU密集型任务的性能上限是CPU核心数，线程数超过核心数时会引发上下文切换开销，反而降低效率。
• 忽略了方法内的共享资源竞争：Math.random()并非无锁的线程安全实现，底层依赖全局共享的随机数生成器，多线程调用时会通过锁同步，导致所有线程阻塞等待，相当于串行执行还额外增加锁竞争开销。

效率低下的具体原因 #

1. Math.random()的锁竞争
   Math.random()内部使用全局Random实例，每次调用nextDouble()都会加锁。5个线程同时调用时会排队等待获取锁，这部分代码本质上串行执行，锁的获取、释放还会带来额外性能损耗，直接拖慢每个线程的执行速度。

2. CPU核心数与线程数不匹配
   若你的CPU是4核心，启动5个CPU密集型线程会导致频繁的CPU上下文切换。每个线程抢占CPU时间片时，需要保存和恢复线程状态，这部分开销会大幅增加整体执行时间，拉长单个线程的实际运行时长。

3. 浮点运算的CPU资源竞争
   方法内大量执行Math.atan(x)这类浮点运算，属于CPU密集型操作。多线程同时执行时会争抢CPU的浮点运算单元（FPU），若CPU的FPU数量不足，线程间会互相等待，进一步降低执行效率。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者geko