在Java应用程序中动态分配CPU资源

核心提示：java的线程调度操作在运行时是与平台无关的，一个多任务系统需要在任务之间实现QoS(Quality of Service)治理时，在Java应用程序中动态分配CPU资源，假如CPU资源的分配基于Java线程的优先级，那么它在不同平台上运行时的效果是很难猜测的，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

java的线程调度操作在运行时是与平台无关的。一个多任务系统需要在任务之间实现QoS(Quality of Service)治理时，假如CPU资源的分配基于Java线程的优先级，那么它在不同平台上运行时的效果是很难猜测的。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资源的方案。

现在，由于计算机系统已经从人机交互逐步向机机交互转化，计算机和计算机之间的业务对于时间的要求非常高。软件系统对于业务的支持已经不仅表现为对不同业务的逻辑和数据(算法+数据结构)支持，而且还表现为对同时处理不同任务的时效性(任务响应速度)支持。一般，任务响应的速度可以通过算法优化及并行运算分担负载等手段来提高。但是，用户业务逻辑的复杂度决定了算法优化的发挥空间，硬件规模决定了所能够承担负载的大小。我们利用Java平台的特点，借鉴协调式多任务思想，使CPU资源能够在任务间动态分配，从而为时间要求强的任务分配更多的CPU运行资源。这也可以充分利用现有硬件，为用户业务提供最大的保障。

用Java解决问题

本着软件系统结构和现实系统结构一致的思想，开发复杂业务服务的程序一般按照计算机任务和现实业务对应的思路，最终形成一个大规模的多任务系统。由于其跨平台性，Java系统可以随着业务的扩大，平滑地升级到各种硬件平台上。由于Java自身的发展及其应用场合的不断扩大，用它实现多任务系统已经成为当前的应用方向。在J2EE(Java2 EnterPRise Edition)推出以后，Sun公司已经将Java的重心放在了服务器端(Server Side)系统的构造上。由于客户/服务器模型固有的多对一的关系，服务器端程序也必然是一个多任务系统。

在Java多任务应用中，动态地将CPU资源在任务间分配有很重要的意义。比如一个Internet服务商的系统往往有多种任务同时运行，有HTTP、FTP、MAIL等协议的支持，也有商务、娱乐、生活、咨询等业务的服务。在白天，网站希望系统的CPU资源尽量保障网上用户的服务质量，提高电子商务等任务的响应速度;晚上则希望让自己的娱乐服务和资料下载尽可能满足下班后人们的需要。另外，在新兴的网管(比如TMN， Telecommunication Management Network)等应用领域中，服务程序往往需要支持成千上万个并发响应事件的被治理对象(MO，Managed Object)。对于被治理对象执行的操作，不同用户在不同时刻往往有不同的时间要求。

方案选择

在考虑动态分配CPU资源的实施方案时，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的最快响应。

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

多任务系统要用多线程实现的最简单方法就是将线程和任务一一对应，动态调整线程的优先级，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的基础上是基本可行的。但在跨平台的Java环境中，这个思路对仅有小规模任务数的简单系统才可行，原因有以下两点：

1. Java的线程虽然在编程角度(API)是与平台无关的，但它的运行效果却和不同操作系统平台密切相关。为了利用更多的CPU资源，Java中的一个线程(Thread)就对应着不同操作系统下的一个真实线程。因为Java虚拟机没有实现线程的调度，所以这些Java的线程在不同操作系统调度下运行的差异性也就比较明显。例如在Windows系统中，不仅线程的优先级少于Java API参数规定的十个优先级，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的优先权，让线程优先级的参数和真实线程的优先级对应，不同操作系统的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的行为变得不可猜测。这就很难满足复杂的、大规模并发任务的众多优先级需求，从而很难达到用户业务需要达到的效果。

2. 由于在Java系统中，线程被包装在一个Java语言的对象类—Thread中，所以为了完成Java语言对象和操作系统线程的对应，Java线程的系统开销还是比较大的(在NT 4.0中，平均每个线程大致占用30KB内存)。因此假如让Thread对象个数和成千上万的任务数同比例增长，就显然是不合理的。

综上所述，根据并发多任务的大规模需求和Java平台固有的特点，想要利用Java Thread对象的优先级调整CPU资源的分配是非常困难的，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的调度机制。

解决方案

根据以上分析，问题的症结在于：多任务系统中的任务在Java语言中的对应以及任务间的相互调度。

从本质上看，一个任务就是一系列对象方法的调用序列，与Java的Thread对象或者别的类的对象没有必然联系。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的情况下，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的思路。协调式多任务系统一般有以下特点：