java高级用法之绑定CPU的线程Thread Affinity简介

目录

• 简介
• Java Thread Affinity简介
• AffinityLock的使用
• 使用API直接分配CPU
• 总结

简介

在现代计算机系统中，可以有多个CPU，每个CPU又可以有多核。为了充分利用现代CPU的功能，JAVA中引入了多线程，不同的线程可以同时在不同CPU或者不同CPU核中运行。但是对于JAVA程序猿来说创建多少线程是可以自己控制的，但是线程到底运行在哪个CPU上，则是一个黑盒子，一般来说很难得知。

但是如果是不同CPU核对同一线程进行调度，则可能会出现CPU切换造成的性能损失。一般情况下这种损失是比较小的，但是如果你的程序特别在意这种CPU切换带来的损耗，那么可以试试今天要讲的Java Thread Affinity.

Java Thread Affinity简介

java thread Affinity是用来将JAVA代码中的线程绑定到CPU特定的核上，用来提升程序运行的性能。

很显然，要想和底层的CPU进行交互，java thread Affinity一定会用到JAVA和native方法进行交互的方法，JNI虽然是JAVA官方的JAVA和native方法进行交互的方法，但是JNI在使用起来比较繁琐。所以java thread Affinity实际使用的是JNA，JNA是在JNI的基础上进行改良的一种和native方法进行交互的库。

先来介绍CPU中几个概念，分别是CPU，CPU socket和CPU core。

首先是CPU，CPU的全称就是central processing unit,又叫做中央处理器,就是用来进行任务处理的关键核心。

那么什么是CPU socket呢？所谓socket就是插CPU的插槽，如果组装过台式机的同学应该都知道,CPU就是安装在Socket上的。

CPU Core指的是CPU中的核数，在很久之前CPU都是单核的，但是随着多核技术的发展，一个CPU中可以包含多个核，而CPU中的核就是真正的进行业务处理的单元。

如果你是在linux机子上，那么可以通过使用lscpu命令来查看系统的CPU情况，如下所示：

Architecture:          x86_64
CPU op-mode(s):        32-bit, 64-bit
Byte Order:            Little Endian
CPU(s):                1
On-line CPU(s) list:   0
Thread(s) per core:    1
Core(s) per socket:    1
Socket(s):             1
NUMA node(s):          1
Vendor ID:             GenuineIntel
CPU family:            6
Model:                 94
Model name:            Intel(R) Xeon(R) Gold 6148 CPU @ 2.40GHz
Stepping:              3
CPU MHz:               2400.000
BogoMIPS:              4800.00
Hypervisor vendor:     KVM
Virtualization type:   full
L1d cache:             32K
L1i cache:             32K
L2 cache:              4096K
L3 cache:              28160K
NUMA node0 CPU(s):     0
Flags:                 fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush mmx fxsr sse sse2 ss syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc rep_good nopl eagerfpu pni pclmulqdq ssse3 fma cx16 pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand hypervisor lahf_lm abm 3dnowprefetch invpcid_single fsgsbase bmi1 hle avx2 smep bmi2 erms invpcid rtm mpx avx512f avx512dq rdseed adx smap avx512cd avx512bw avx512vl xsaveopt xsavec xgetbv1 arat

从上面的输出我们可以看到，这个服务器有一个socket，每个socket有一个core，每个core可以同时处理1个线程。

这些CPU的信息可以称为CPU layout。在linux中CPU的layout信息是存放在/proc/cpuinfo中的。

在Java Thread Affinity中有一个CpuLayout接口用来和这些信息进行对应：

public interface CpuLayout {

    int cpus();
    int sockets();
    int coresPerSocket();
    int threadsPerCore();
    int socketId(int cpuId);
    int coreId(int cpuId);
    int threadId(int cpuId);
}

根据CPU layout的信息， AffinityStrategies提供了一些基本的Affinity策略，用来安排不同的thread之间的分布关系，主要有下面几种：

    SAME_CORE - 运行在同一个core中。
    SAME_SOCKET - 运行在同一个socket中，但是不在同一个core上。
    DIFFERENT_SOCKET - 运行在不同的socket中
    DIFFERENT_CORE - 运行在不同的core上
    ANY - 任何情况都可以

这些策略也都是根据CpuLayout的socketId和coreId来进行区分的，我们以SAME_CORE为例，按下它的具体实现：

SAME_CORE {
        @Override
        public boolean matches(int cpuId, int cpuId2) {
            CpuLayout cpuLayout = AffinityLock.cpuLayout();
            return cpuLayout.socketId(cpuId) == cpuLayout.socketId(cpuId2) &&
                    cpuLayout.coreId(cpuId) == cpuLayout.coreId(cpuId2);
        }
    }

Affinity策略可以有顺序，在前面的策略会首先匹配，如果匹配不上则会选择第二策略，依此类推。

AffinityLock的使用

接下来我们看下Affinity的具体使用,首先是获得一个CPU的lock,在JAVA7之前，我们可以这样写：

AffinityLock al = AffinityLock.acquireLock();
try {
     // do some work locked to a CPU.
} finally {
     al.release();
}

在JAVA7之后，可以这样写：

try (AffinityLock al = AffinityLock.acquireLock()) {
    // do some work while locked to a CPU.
}

acquireLock方法可以为线程获得任何可用的cpu。这个是一个粗粒度的lock。如果想要获得细粒度的core，可以用acquireCore:

try (AffinityLock al = AffinityLock.acquireCore()) {
    // do some work while locked to a CPU.
}

acquireLock还有一个bind参数，表示是否将当前的线程绑定到获得的cpu lock上，如果bind参数=true，那么当前的thread会在acquireLock中获得的CPU上运行。如果bind参数=false，表示acquireLock会在未来的某个时候进行bind。

上面我们提到了AffinityStrategy，这个AffinityStrategy可以作为acquireLock的参数使用：

public AffinityLock acquireLock(AffinityStrategy... strategies) {
 return acquireLock(false, cpuId, strategies);
    }

通过调用当前AffinityLock的acquireLock方法，可以为当前的线程分配和之前的lock策略相关的AffinityLock。

AffinityLock还提供了一个dumpLocks方法，用来查看当前CPU和thread的绑定状态。我们举个例子：

private static final ExecutorService ES = Executors.newFixedThreadPool(4,
           new AffinityThreadFactory("bg", SAME_CORE, DIFFERENT_SOCKET, ANY));
for (int i = 0; i < 12; i++)
            ES.submit(new Callable<Void>() {
                @Override
                public Void call() throws InterruptedException {
                    Thread.sleep(100);
                    return null;
                }
            });
        Thread.sleep(200);
        System.out.println("\nThe assignment of CPUs is\n" + AffinityLock.dumpLocks());
        ES.shutdown();
        ES.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS);

上面的代码中，我们创建了一个4个线程的线程池，对应的ThreadFactory是AffinityThreadFactory，给线程池起名bg，并且分配了3个AffinityStrategy。 意思是首先分配到同一个core上，然后到不同的socket上，最后是任何可用的CPU。

然后具体执行的过程中，我们提交了12个线程，但是我们的Thread pool最多只有4个线程，可以预见， AffinityLock.dumpLocks方法返回的结果中只有4个线程会绑定CPU，一起来看看：

The assignment of CPUs is
0: CPU not available
1: Reserved for this application
2: Reserved for this application
3: Reserved for this application
4: Thread[bg-4,5,main] alive=true
5: Thread[bg-3,5,main] alive=true
6: Thread[bg-2,5,main] alive=true
7: Thread[bg,5,main] alive=true

从输出结果可以看到，CPU0是不可用的。其他7个CPU是可用的，但是只绑定了4个线程，这和我们之前的分析是匹配的。

接下来，我们把AffinityThreadFactory的AffinityStrategy修改一下，如下所示：

new AffinityThreadFactory("bg", SAME_CORE)

表示线程只会绑定到同一个core中，因为在当前的硬件中，一个core同时只能支持一个线程的绑定，所以可以预见最后的结果只会绑定一个线程,运行结果如下：

The assignment of CPUs is
0: CPU not available
1: Reserved for this application
2: Reserved for this application
3: Reserved for this application
4: Reserved for this application
5: Reserved for this application
6: Reserved for this application
7: Thread[bg,5,main] alive=true

可以看到只有第一个线程绑定了CPU，和之前的分析相匹配。

使用API直接分配CPU

上面我们提到的AffinityLock的acquireLock方法其实还可以接受一个CPU id参数，直接用来获得传入CPU id的lock。这样后续线程就可以在指定的CPU上运行。

    public static AffinityLock acquireLock(int cpuId) {
        return acquireLock(true, cpuId, AffinityStrategies.ANY);
    }

实时上这种Affinity是存放在BitSet中的，BitSet的index就是cpu的id，对应的value就是是否获得锁。

先看下setAffinity方法的定义：

    public static void setAffinity(int cpu) {
        BitSet affinity = new BitSet(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
        affinity.set(cpu);
        setAffinity(affinity);
    }

再看下setAffinity的使用：

long currentAffinity = AffinitySupport.getAffinity();
Affinity.setAffinity(1L << 5); // lock to CPU 5.

注意，因为BitSet底层是用Long来进行数据存储的，所以这里的index是bit index，所以我们需要对十进制的CPU index进行转换。

总结

Java Thread Affinity可以从JAVA代码中对程序中Thread使用的CPU进行控制，非常强大，大家可以运用起来。

到此这篇关于java高级用法之绑定CPU的线程Thread-Affinity的文章就介绍到这了,更多相关java线程Thread-Affinity内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！