如何在Java中將執行緒綁定到特定的CPU？

簡介

在現代電腦系統中，可以有多個CPU，每個CPU又可以有多核心。為了充分利用現代CPU的功能，JAVA中引入了多線程，不同的線程可以同時在不同CPU或不同CPU核中運行。但對於JAVA程式猿來說要創建多少執行緒是可以自己控制的，但是執行緒到底運行在哪個CPU上，則是一個黑盒子，一般來說很難得知。

但是如果是不同CPU核對相同執行緒進行調度，則可能會出現CPU切換造成的效能損失。一般情況下這種損失是比較小的，但是如果你的程式特別在意這種CPU切換帶來的損耗，那麼可以試試今天要講的Java Thread Affinity.

Java Thread Affinity簡介

java thread Affinity是用來將JAVA程式碼中的執行緒綁定到CPU特定的核上，用來提升程式運行的效能。

很顯然，要想和底層的CPU進行交互，java thread Affinity一定會用到JAVA和native方法進行交互的方法，JNI雖然是JAVA官方的JAVA和native方法進行交互的方法，但是JNI在使用起來比較繁瑣。所以java thread Affinity實際使用的是JNA，JNA是在JNI的基礎上進行改良的一種和native方法進行互動的函式庫。

先介紹CPU中幾個概念，分別是CPU，CPU socket和CPU core。

首先是CPU，CPU的全名為central processing unit,又叫做中央處理器,就是用來進行任務處理的關鍵核心。

那麼什麼是CPU socket呢？所謂socket就是插CPU的插槽，如果組裝過桌上型電腦的同學應該都知道,CPU就是安裝在Socket上的。

CPU Core指的是CPU中的核數，在很久以前CPU都是單核的，但是隨著多核心技術的發展，一個CPU中可以包含多個核，而CPU中的核就是真正的進行業務處理的單元。

如果你是在linux機子上，那麼可以透過使用lscpu指令來查看系統的CPU情況，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

從上面的輸出我們可以看到，這個伺服器有一個socket，每個socket有一個core，每個core可以同時處理1個執行緒。

這些CPU的資訊可以稱為CPU layout。在linux中CPU的layout資訊是存放在/proc/cpuinfo中的。

在Java Thread Affinity中有一個CpuLayout介面用來和這些資訊進行對應：

public interface CpuLayout {
    
    int cpus();
    int sockets();
    int coresPerSocket();
    int threadsPerCore();
    int socketId(int cpuId);
    int coreId(int cpuId);
    int threadId(int cpuId);
}

根據CPU layout的信息， AffinityStrategies提供了一些基本的Affinity策略，用來安排不同的thread之間的分佈關係，主要有以下幾種：

    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

這些策略也都是根據CpuLayout的socketId和coreId來進行區分的，我們以SAME_CORE為例，按下它的具體實作：

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策略可以有順序，在前面的策略會先匹配，如果匹配不上則會選擇第二策略，依此類推。

AffinityLock的使用

接下來我們看下Affinity的具體使用,首先是獲得一個CPU的lock,在JAVA7之前，我們可以這樣寫：

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

在JAVA7之後，可以這樣寫：

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

acquireLock方法可以為執行緒取得任何可用的cpu。這個是一個粗粒度的lock。如果想要取得細粒度的core，可以用acquireCore:

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

acquireLock還有一個bind參數，表示是否將目前的執行緒綁定到所獲得的cpu lock上，如果bind參數=true，那麼當前的thread會在acquireLock中得到的CPU上運作。如果bind參數=false，表示acquireLock會在未來的某個時間點進行bind。

上面我們提到了AffinityStrategy，這個AffinityStrategy可以作為acquireLock的參數使用：

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

透過呼叫當前AffinityLock的acquireLock方法，可以為當前的線程分配和先前的lock策略相關的AffinityLock 。

AffinityLock也提供了一個dumpLocks方法，用來查看目前CPU和thread的綁定狀態。我們舉個例子：

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);

上面的程式碼中，我們建立了一個4個執行緒的執行緒池，對應的ThreadFactory是AffinityThreadFactory，給執行緒池命名bg，並且分配了3個AffinityStrategy。意思是先分配到同一個core上，然後到不同的socket上，最後是任何可用的CPU。

然後具體執行的過程中，我們提交了12個線程，但是我們的Thread pool最多只有4個線程，可以預見， AffinityLock.dumpLocks方法返回的結果中只有4個線程會綁定CPU ，一起來看看：

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

從輸出結果可以看到，CPU0是不可用的。其他7個CPU是可用的，但是只綁定了4個線程，這和我們之前的分析是匹配的。

接下來，我們把AffinityThreadFactory的AffinityStrategy修改一下，如下所示：

new AffinityThreadFactory("bg", SAME_CORE)

表示線程只會綁定到同一個core中，因為在當前的硬體中，一個core同時只能支援一個執行緒的綁定，所以可以預見最後的結果只會綁定一個執行緒,運行結果如下：

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。

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