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Java應用程序中如何動態的分配CPU資源?

方案選擇

在考慮動態分配CPU資源實施方案時,往往有以下兩點要求:

1. 須充分利用現有硬件資源,在系統空閑時,讓低優先級任務也能夠得到系統所能給予最快響應。

2.當硬件資源超負荷運行時,雖然系統中有大規模、多數量任務不能處理,但它不應受影響,而能夠順利處理那些能夠被處理、最重要高優先級任務。

多任務系統要用多線程實現最簡單方法就是將線程和任務壹壹對應,動態調整線程優先級,利用線程調度來完成CPU資源在不同任務間動態分配。這種思路在以前使用本地化代碼(Native Code),充分利用特定硬件和操作系統技巧基礎上是基本可行。但在跨平臺Java環境中,這個思路對僅有小規模任務數簡單系統才可行,原因有以下兩點:

1. Java線程雖然在編程角度(API)是與平臺無關,但它運行效果卻和不同操作系統平臺密切相關。為了利用更多CPU資源,Java中壹個線程(Thread)就對應著不同操作系統下壹個真實線程。因為Java虛擬機沒有實現線程調度,所以這些Java線程在不同操作系統調度下運行差異性也就比較明顯。例如在Windows系統中,不僅線程優先級少於Java API參數規定十個優先級,而且微軟明確反對程序員動態調整線程優先級。即使在操作系統中有足夠優先權,讓線程優先級參數和真實線程優先級對應,不同操作系統調度方式也會有許多不同。這最終會造成代碼在不同平臺上行為變得不可預測。這就很難滿足復雜、大規模並發任務眾多優先級需求,從而很難達到用戶業務需要達到效果。

2. 由於在Java系統中,線程被包裝在壹個Java語言對象類—Thread中,所以為了完成Java語言對象和操作系統線程對應,Java線程系統開銷還是比較大(在NT 4.0中,平均每個線程大致占用30KB內存)。因此如果讓Thread對象個數和成千上萬任務數同比例增長,就顯然是不合理。

內容摘要:本文利用協調式多任務模型,提出壹個與平臺無關、並且能在任務間動態分配CPU資源方案。

綜上所述,根據並發多任務大規模需求和Java平臺固有特點,想要利用Java Thread對象優先級調整CPU資源分配是非常困難,所以應該盡量避免讓線程和任務直接對應,也盡量避免使用操作系統線程優先級調度機制。

解決方案

根據以上分析,問題癥結在於:多任務系統中任務在Java語言中對應以及任務間相互調度。

 從本質上看,壹個任務就是壹系列對象方法調用序列,與JavaThread對象或者別類對象沒有必然聯系。在避免使用不同操作系統線程調度且同時Java虛擬機又沒有線程調度能力情況下,要想構造壹個協調式多任務系統,讓各個任務相互配合就成了最直接思路。協調式多任務系統壹般有以下特點:

1. 任務由消息驅動,消息響應代碼完成任務邏輯處理;

2. 消息隊列完成消息存儲和管理,從而利用消息處理次序體現任務優先級不同;

3. 任務中耗時消息響應邏輯能夠主動放棄CPU資源,讓別任務執行(像Windows 3.1中Yield函數、Visual Basic中DoEvents語句)。

可能出於巧合,Java語言具有構造協調式多任務系統天然條件。Java對象方法不僅是壹個函數調用,它還是壹個java.lang.reflect.Method類對象。而所有對象方法都可以通過Method類invoke方法調用。如果能使每個任務所對應壹系列方法全部以對象形式包裝成消息,放到消息隊列中,然後再按照自己優先級算法將隊列中消息取出,執行其Method對象invoke調用,那麽壹個基本協調式多任務系統就形成了。其中,任務優先級和線程優先級沒有綁定關系。該系統主體調度函數可以設置成壹個“死循環”,按照需要優先級算法處理消息隊列。對於有多重循環、外設等待等耗時操作消息響應函數,可以在響應函數內部遞歸調用主體調度函數,這壹次調用把原來“死循環”改成在消息隊列長度減少到壹定程度(或者為空)後退出。退出後,函數返回,執行剛才沒有完成消息響應邏輯,這樣就非常自然地實現了協調式系統中任務主動放棄CPU資源要求。

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