教你在Java应用程序中动态的分配CPU资源

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：

　　1. 任务由消息驱动，消息的响应代码完成任务逻辑的处理;

　　2. 消息队列完成消息的存储和管理，从而利用消息处理的次序体现任务优先级的不同;

　　3. 任务中耗时的消息响应逻辑能够主动放弃CPU资源，让别的任务执行(像Windows 3.1中的Yield函数、Visual Basic中的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的条件。Java对象的方法不仅是一个函数调用，它还是一个java.lang.reflect.Method类的对象。而所有对象的方法都可以通过Method类的invoke方法调用。如果能使每个任务所对应的一系列方法全部以对象形式包装成消息，放到消息队列中，然后再按照自己的优先级算法将队列中的消息取出，执行其Method对象的invoke调用，那么一个基本的协调式多任务系统就形成了。其中，任务的优先级和线程的优先级没有绑定关系。该系统的主体调度函数可以设置成一个"死循环"，按照需要的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的消息响应函数，可以在响应函数内部递归调用主体调度函数,这一次调用把原来的"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，执行刚才没有完成的消息响应逻辑，这样就非常自然地实现了协调式系统中任务主动放弃CPU资源的要求。

　　如果仅仅做到这一步，完成一个像Windows 3.1中的多任务系统，实际只用了一个线程，没有利用Java多线程的特点。应该注意到，虽然Java系统中线程调度与平台相关，但是相同优先级的线程之间分时运行的特点基本上是不受特定平台影响的。各个相同优先级的线程共享CPU资源，而线程又被映射成了Java语言中的Thread对象。这些对象就可以被认为是CPU资源的代表。Thread与线程执行代码主体的接口-Runnable之间是多对一的关系。一个Runnable可以被多个Thread执行。只要将Runnable的执行代码设置成上述的消息调度函数，并和消息队列对应上，那么就可以通过控制为它服务的Thread个数来决定消息队列执行的快慢，并且在运行时可以动态地新增(new)和退出Thread对象。这样就能任意调整不同消息队列在执行时所占用CPU资源的多少。至此，任何一个Java调用都可以在Thread个数不同的消息队列中选择，并可以调整这些消息队列服务的Thread个数，从而实现在运行时调整任务所占用的CPU资源。

　　纵观整个方案，由于仅仅基于Java语言固有的Method对象，不同任务间动态分配CPU资源并没有对任务的性质及其处理流程有任何限制，那么在消息队列中没有高优先级消息时，低优先级消息的处理函数自然会全部占用CPU资源。在不同消息队列处理速度任意设置时，并没有将特定的消息限制在快的或者慢的消息队列上。如果系统的负荷超出(比如消息队列长度超过一定限制)，只要将队列中低优先级消息换出或者拒绝不能处理的消息进入，那么系统的运行就可以基本上不受负荷压力的影响，从而最大保障用户的关键业务需求。

　　当然，协调式多任务的思想也有其局限性，主要就是它的调度粒度比较大。系统能够保证的粒度是一次消息处理过程。如果消息处理逻辑非常费时，那么编程人员就必须再处理函数内部，让系统主动让出CPU资源。这虽然需要在处理消息响应逻辑时增加一个考虑因素，但是，在Windows系统盛行的今天，这是一个已经被普遍接受的思路。由于方案中并没有局限为消息队列服务的线程数目，所以一个长时间的消息响应只会影响一个线程，而不会对整个系统产生致命的影响。除了调度粒度的问题以外，还有访问消息队列操作在各个线程间互斥的问题。取出消息的过程是串行化的，因此对于这一瓶颈的解决方案就是：假设取出一条消息的操作相对于处理消息的消耗可以忽略不计，那么对于多次调用且仅有两三行响应逻辑的消息，编程人员通过函数调用就可以直接执行。

　　前面比较详细地阐述了多任务系统中任务的划分以及执行等内容。虽然这些是一个系统的核心，但是在一个实用的系统中，还需要任务间的同步、互斥等机制。在上述框架内，互斥可以简单地用Java的Synchronized机制实现。由于任务可以主动让出执行权限，要实现等待(Wait任务中止)和通知(Notify任务继续)，从而实现任务同步也就比较容易了。