基于Java在netty中实现线程和CPU绑定

2022-11-13 08:11:37 java 线程绑定

简介

使用java thread affinity库我们可以将线程绑定到特定的CPU或者CPU核上，通过减少线程在CPU之间的切换，从而提升线程执行的效率。

虽然netty已经够优秀了，但是谁不想更加优秀一点呢？于是一个想法产生了，那就是能不能把affinity库用在netty中呢？答案是肯定的，一起来看看吧。

引入affinity

affinity是以jar包的形式提供出去的，目前最新的正式版本是3.20.0，所以我们需要这样引入：

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/net.openhft/affinity -->
<dependency>
    <groupId>net.openhft</groupId>
    <artifactId>affinity</artifactId>
    <version>3.20.0</version>
</dependency>

引入affinity之后，会在项目的依赖库中添加一个affinity的lib包，这样我们就可以在netty中愉快的使用affinity了。

AffinityThreadFactory

有了affinity，怎么把affinity引入到netty中呢?

我们知道affinity是用来控制线程的，也就是说affinity是跟线程有关的。而netty中跟线程有关的就是EventLoopGroup,先看一下netty中EventLoopGroup的基本用法，这里以NIOEventLoopGroup为例,NioEventLoopGroup有很多构造函数的参数，其中一种是传入一个ThreadFactory：

    public NioEventLoopGroup(ThreadFactory threadFactory) {
        this(0, threadFactory, SelectorProvider.provider());
    }

这个构造函数表示NioEventLoopGroup中使用的线程都是由threadFactory创建而来的。这样以来我们就找到了netty和affinity的对应关系。只需要构造affinity的ThreadFactory即可。

刚好affinity中有一个AffinityThreadFactory类，专门用来创建affinity对应的线程。

接下来我们来详细了解一下AffinityThreadFactory。

AffinityThreadFactory可以根据提供的不同AffinityStrategy来创建对应的线程。AffinityStrategy表示的是线程之间的关系。

在affinity中，有5种线程关系，分别是：

SAME_CORE - 线程会运行在同一个CPU core中。
SAME_Socket - 线程会运行在同一个CPU socket中，但是不在同一个core上。
DIFFERENT_SOCKET - 线程会运行在不同的socket中。
DIFFERENT_CORE - 线程会运行在不同的core上。
ANY - 只要是可用的CPU资源都可以。

这些关系是通过AffinityStrategy中的matches方法来实现的：

boolean matches(int cpuId, int cpuId2);

matches传入两个参数，分别是传入的两个cpuId。

我们以SAME_CORE为例来看看这个mathes方法到底是怎么工作的：

    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);
        }
    }

可以看到它的逻辑是先获取当前CPU的layout，CpuLayout中包含了cpu个数，sockets个数，每个sockets的cpu核数等基本信息。

并且提供了三个方法根据给定的cpuId返回对应的socket、core和thread信息：

    int socketId(int cpuId);
    int coreId(int cpuId);
    int threadId(int cpuId);

matches方法就是根据传入的cpuId找到对应的socket,core信息进行比较，从而生成了5中不同的策略。

先看一下AffinityThreadFactory的构造函数：

    public AffinityThreadFactory(String name, boolean daemon, @NotNull AffinityStrategy... strategies) {
        this.name = name;
        this.daemon = daemon;
        this.strategies = strategies.length == 0 ? new AffinityStrategy[]{AffinityStrategies.ANY} : strategies;
    }

可以传入thread的name前缀，和是否是守护线程，最后如果strategies不传的话，默认使用的是AffinityStrategies.ANY策略，也就是说为线程分配任何可以绑定的CPU。

接下来看下这个ThreadFactory是怎么创建新线程的：

public synchronized Thread newThread(@NotNull final Runnable r) {
        String name2 = id <= 1 ? name : (name + '-' + id);
        id++;
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try (AffinityLock ignored = acquireLockBasedOnLast()) {
                    r.run();
                }
            }
        }, name2);
        t.setDaemon(daemon);
        return t;
    }
    private synchronized AffinityLock acquireLockBasedOnLast() {
        AffinityLock al = lastAffinityLock == null ? AffinityLock.acquireLock() : lastAffinityLock.acquireLock(strategies);
        if (al.cpuId() >= 0)
            lastAffinityLock = al;
        return al;
    }

从上面的代码可以看出，创建的新线程会以传入的name为前缀，后面添加1，2，3，4这种后缀。并且根据传入的是否是守护线程的标记，将调用对应线程的setDaemon方法。

重点是Thread内部运行的Runnable内容，在run方法内部，首先调用acquireLockBasedOnLast方法获取lock，在获得lock的前提下运行对应的线程方法，这样就会将当前运行的Thread和CPU进行绑定。

从acquireLockBasedOnLast方法中，我们可以看出AffinityLock实际上是一个链式结构，每次请求的时候都调用的是lastAffinityLock的acquireLock方法，如果获取到lock，则将lastAffinityLock进行替换，用来进行下一个lock的获取。

有了AffinityThreadFactory，我们只需要在netty的使用中传入AffinityThreadFactory即可。

在netty中使用AffinityThreadFactory

上面讲到了要在netty中使用affinity，可以将AffinityThreadFactory传入EventLoopGroup中。对于netty server来说可以有两个EventLoopGroup，分别是acceptorGroup和workerGroup，在下面的例子中我们将AffinityThreadFactory传入workerGroup，这样后续work中分配的线程都会遵循AffinityThreadFactory中配置的AffinityStrategies策略，来获得对应的CPU：

//建立两个EventloopGroup用来处理连接和消息
        EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup(acceptorThreads);
        //创建AffinityThreadFactory
        ThreadFactory threadFactory = new AffinityThreadFactory("affinityWorker", AffinityStrategies.DIFFERENT_CORE,AffinityStrategies.DIFFERENT_SOCKET,AffinityStrategies.ANY);
        //将AffinityThreadFactory加入workerGroup
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(workerThreads,threadFactory);
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(acceptorGroup, workerGroup)
                    .channel(NiOServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new AffinityServerHandler());
                        }
                    })
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

            // 绑定端口并开始接收连接
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();

            // 等待server socket关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关闭group
            workerGroup.shutdownGracefully();
            acceptorGroup.shutdownGracefully();
        }

为了获取更好的性能，Affinity还可以对CPU进行隔离，被隔离的CPU只允许执行本应用的线程，从而获得更好的性能。

要使用这个特性需要用到linux的isolcpus。这个功能主要是将一个或多个CPU独立出来，用来执行特定的Affinity任务。

isolcpus命令后面可以接CPU的ID,或者可以修改/boot/grub/grub.conf文件，添加要隔离的CPU信息如下：

isolcpus=3，4，5

总结

affinity可以对线程进行极致管控，对性能要求严格的朋友可以试试，但是在使用过程中需要选择合适的AffinityStrategies，否则可能会得不到想要的结果。

到此这篇关于基于Java在netty中实现线程和CPU绑定的文章就介绍到这了,更多相关线程和CPU绑定内容请搜索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！

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简介

引入affinity

AffinityThreadFactory

在netty中使用AffinityThreadFactory

总结