Question

Java应用程序中如何动态的分配CPU资源?

Answer 1

方案选择
　　在考虑动态分配CPU资源实施方案时，往往有以下两点要求：

　　1. 须充分利用现有硬件资源，在系统空闲时，让低优先级任务也能够得到系统所能给予最快响应。

　　2.当硬件资源超负荷运行时，虽然系统中有大规模、多数量任务不能处理，但它不应受影响，而能够顺利处理那些能够被处理、最重要高优先级任务。

　　多任务系统要用多线程实现最简单方法就是将线程和任务一一对应，动态调整线程优先级，利用线程调度来完成CPU资源在不同任务间动态分配。这种思路在以前使用本地化代码(Native Code)，充分利用特定硬件和操作系统技巧基础上是基本可行。但在跨平台Java环境中，这个思路对仅有小规模任务数简单系统才可行，原因有以下两点：

　　1. Java线程虽然在编程角度(API)是与平台无关，但它运行效果却和不同操作系统平台密切相关。为了利用更多CPU资源，Java中一个线程(Thread)就对应着不同操作系统下一个真实线程。因为Java虚拟机没有实现线程调度，所以这些Java线程在不同操作系统调度下运行差异性也就比较明显。例如在Windows系统中，不仅线程优先级少于Java API参数规定十个优先级，而且微软明确反对程序员动态调整线程优先级。即使在操作系统中有足够优先权，让线程优先级参数和真实线程优先级对应，不同操作系统调度方式也会有许多不同。这最终会造成代码在不同平台上行为变得不可预测。这就很难满足复杂、大规模并发任务众多优先级需求，从而很难达到用户业务需要达到效果。

　　2. 由于在Java系统中，线程被包装在一个Java语言对象类—Thread中，所以为了完成Java语言对象和操作系统线程对应，Java线程系统开销还是比较大(在NT 4.0中，平均每个线程大致占用30KB内存)。因此如果让Thread对象个数和成千上万任务数同比例增长，就显然是不合理。

内容摘要：本文利用协调式多任务模型，提出一个与平台无关、并且能在任务间动态分配CPU资源方案。
　　综上所述，根据并发多任务大规模需求和Java平台固有特点，想要利用Java Thread对象优先级调整CPU资源分配是非常困难，所以应该尽量避免让线程和任务直接对应，也尽量避免使用操作系统线程优先级调度机制。

　　解决方案

　　根据以上分析，问题症结在于：多任务系统中任务在Java语言中对应以及任务间相互调度。

　从本质上看，一个任务就是一系列对象方法调用序列，与JavaThread对象或者别类对象没有必然联系。在避免使用不同操作系统线程调度且同时Java虚拟机又没有线程调度能力情况下，要想构造一个协调式多任务系统，让各个任务相互配合就成了最直接思路。协调式多任务系统一般有以下特点：

　　1. 任务由消息驱动，消息响应代码完成任务逻辑处理;

　　2. 消息队列完成消息存储和管理，从而利用消息处理次序体现任务优先级不同;

　　3. 任务中耗时消息响应逻辑能够主动放弃CPU资源，让别任务执行(像Windows 3.1中Yield函数、Visual Basic中DoEvents语句)。
　　
可能出于巧合，Java语言具有构造协调式多任务系统天然条件。Java对象方法不仅是一个函数调用，它还是一个java.lang.reflect.Method类对象。而所有对象方法都可以通过Method类invoke方法调用。如果能使每个任务所对应一系列方法全部以对象形式包装成消息，放到消息队列中，然后再按照自己优先级算法将队列中消息取出，执行其Method对象invoke调用，那么一个基本协调式多任务系统就形成了。其中，任务优先级和线程优先级没有绑定关系。该系统主体调度函数可以设置成一个“死循环”，按照需要优先级算法处理消息队列。对于有多重循环、外设等待等耗时操作消息响应函数，可以在响应函数内部递归调用主体调度函数,这一次调用把原来“死循环”改成在消息队列长度减少到一定程度(或者为空)后退出。退出后，函数返回，执行刚才没有完成消息响应逻辑，这样就非常自然地实现了协调式系统中任务主动放弃CPU资源要求。