Java线程常用调度算法与应用

Posted 赵广陆

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java线程常用调度算法与应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

目录

1 调度算法应用

调度算法常见于操作系统中，因为系统资源有限，当有多个进程（或多个进程发出的请求）要使用这些资源时，就必须按照一定的原则选择进程（请求）来占用资源。这就是所谓的调度。在现实生活中也是一样，比如会议室的占用。

CPU资源调度
云计算资源调度
容器化Docker编排与调度

2 先来先服务（FCFS）

2.1 概念

先来先服务，很好理解，就是按照服务提交申请的顺序，依次执行。讲究先来后到。

2.2 实现

定义一个Task类作为任务实例，BlockingQueue作为服务队列

package com.oldlu.schedule;
/**
 * 任务类
 */
public class Task 
    //任务名称
    private String name;
    //任务提交的时间
    private Long addTime;
    //任务的执行时间长短
    private int servTime;
    public Task(String name, int servTime) 
        this.name = name;
        this.servTime = servTime;
        this.addTime = System.currentTimeMillis();
    
    public void execute() 
        try 
            // ！重点：执行时睡眠，表示该任务耗时servTime毫秒
            Thread.currentThread().sleep(servTime);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        
        System.out.println(String.format("execute:name=%s,addTime=%s,servTime=%s", name,
addTime, servTime));
    


package com.oldlu.schedule;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
public class FCFS 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        //阻塞队列，FCFS的基础
        final LinkedBlockingQueue<Task> queue = new LinkedBlockingQueue(5);
        //服务线程，任务由该线程获取和执行
        new Thread(new Runnable()
            @Override
            public void run() 
                while (true) 
                    try 
                        queue.take().execute();
                     catch (Exception e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                
            
        ).start();
        //向队列中放入一个任务
        for (int i = 0; i < 5; i++) 
            System.out.println("add task:"+i);
            queue.put(new Task("task"+i,new Random().nextInt(1000)));

3）结果分析

add按顺序放入，时间有序
execute也按时间顺序执行，而不管后面的servTime，也就是不管执行任务长短，先来先执行

2.4 优缺点

多应用于cpu密集型任务场景，对io密集型的不利。
时间相对均衡的业务可以排队处理，比如现实中排队打卡进站。
如果业务需要依赖大量的外部因素，执行时间片长短不一，FCFS算法不利于任务的整体处理进度，可能会因
为一个长时间业务的阻塞而造成大量等待。

3 短作业优先 （SJF）

3.1 概念

执行时间短的优先得到资源。即执行前申报一个我需要占据cpu的时间，根据时间长短，短的优先被调度。我不占
时间所以我先来。

3.2 实现

使用TreeMap可以实现优先级的任务排序。

package com.oldlu.schedule;
import javax.swing.text.html.parser.Entity;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.TreeMap;
public class SJF 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        //有序Map，将服务时间作为key排序
        final TreeMap<Integer,Task> treeMap = new TreeMap();
        //向队列中放入5个任务
        for (int i = 0; i < 5; i++) 
            System.out.println("add task:"+i);
            int servTime = new Random().nextInt(1000);
            //注意，key是servTime，即执行预估时间
            treeMap.put(servTime,new Task("task"+i,servTime));
        
        //服务线程，任务由该线程获取和执行
        new Thread(new Runnable()
            @Override
            public void run() 
                while (true) 
                    try 
                        //有序Map中，服务时间短的，置于顶部，那么自然就会优先被取出
                        Map.Entry<Integer,Task> entry = treeMap.pollFirstEntry();
                        if (entry == null)
                            Thread.currentThread().sleep(100);
                        else 
                            entry.getValue().execute();
                        
                     catch (Exception e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                
            
        ).start();

3.3 结果分析


add任务有序，确实按照从前往后顺序提交的
execute任务无序，按servtime排序，说明执行时间段的得到了优先执行

3.4 优缺点

适用于任务时间差别较大的场景，仍然以进站为例，拿出公交卡的优先刷卡，还没办卡的让一让。
解决了FCFS整体处理时间长的问题，降低平均等待时间，提高了系统吞吐量。
未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业（进程）的及时处理
对长作业的不利，可能等待很久而得不到执行
时间基于预估和申报，主观性因素在内，无法做到100%的精准

4 时间片轮转（RR）

4.1 概念

时间片逐个扫描轮询，轮到谁谁执行。大家公平裁决来者有份，谁也别插队。像是棋牌游戏中的发牌操作，做到了
时间和机会上的平均性。

4.2 实现

基于数组做为数据插槽方式实现。

package com.oldlu.schedule;
import java.util.Random;
public class RR 
    //定义数组作为插槽，每个插槽中可以放入任务
    Integer[] integers;
    //length插槽的个数
    public RR(int length)
        integers = new Integer[length];
    
    //将任务放入插槽
    public void addTask(int value)
        int slot = 0;
        //不停查找空的插槽
        while (true) 
            //发现空位，将当前任务放入
            if (integers[slot] == null)
                integers[slot] = value;
                System.out.println(String.format("‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>add task
index=%s,value=%s",slot,value));
                break;
            
            //如果当前位置有任务占用，看下一个位置
            slot++;
            //如果插槽遍历完还是没有空位置，那么从头开始再找，继续下一个轮回
            if (slot == integers.length)
                slot = 0;
            
        
    
    //执行任务。轮询的策略就在这里
    public void execute()
        //开启一个线程处理任务。在现实中可能有多个消费者来处理
        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                int index = 0;
                while (true) 
                    //指针轮询，如果到达尾部，下一步重新转向开头
                    // 数据物理结构是一个数组，逻辑上是一个环
                    if (index == integers.length)
                        index = 0;
                    
                    //如果当前位置没有任务，轮询到下一个插槽
                    if (integers[index] == null)
                        index++;
                        continue;
                    else
                        //随机等待，表示模拟当前任务有一个执行时间
try 
                            Thread.currentThread().sleep(new Random().nextInt(1000));
                         catch (InterruptedException e) 
                            e.printStackTrace();
                        
                        //模拟任务执行的内容，也就是打印一下当前插槽和里面的值
                        System.out.println(String.format("execute
index=%s,value=%s",index,integers[index]));
                        //执行完，将当前插槽清空，腾出位置来给后续任务使用
                        integers[index] = null;
                    
                
            
        ).start();
    
    public static void main(String[] args) 
        //测试开始，定义3个插槽
        RR rr = new RR(3);
        //唤起执行者线程，开始轮询
        rr.execute();
        //放置10个任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            rr.addTask(i);

4.3 结果分析


add任务index无序，value有序，说明是按顺序提交的，但是插槽无序，哪里有空放哪里
execute执行index有序value无序，说明任务是轮询执行的，每个插槽里的任务不一定是谁

4.4 优缺点

做到了机会的相对平均，不会因为某个任务执行时间超长而永远得不到执行
缺乏任务主次的处理。重要的任务无法得到优先执行，必须等到时间片轮到自己，着急也没用

5 优先级调度（HPF）

5.1 概述

进程调度每次将处理机分配给具有最高优先级的就绪进程。最高优先级算法可与不同的CPU方式结合形成可抢占式
最高优先级算法和不可抢占式最高优先级算法。

5.2 实现

在Task类中新增一个属性level作为优先级标识

package com.oldlu.schedule;
/**
 * 任务类
 */
public class Task 
    //任务名称
    private String name;
    //任务提交的时间
    private Long addTime;
    //任务的执行时间
    private int servTime;
    //任务优先级
    private int level;
    public Task(String name, int servTime) 
        this.name = name;
        this.servTime = servTime;
        this.addTime = System.currentTimeMillis();
    
    public Task(String name, int servTime,int level) 
        this.name = name;
        this.servTime = servTime;
        this.level = level;
        this.addTime = System.currentTimeMillis();
    
    public void execute() 
        try 
            // ！重点：执行时睡眠，表示该任务耗时servTime毫秒
            Thread.currentThread().sleep(servTime);
         catch (InterruptedException e) 
            e.printStackTrace();
        
        System.out.println(
                String.format("execute:name=%s,level=%s,addTime=%s,servTime=%s",
                name,level, addTime, servTime));

依然使用TreeMap实现排序，注意的是，key要取优先级

package com.oldlu.schedule;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.TreeMap;
public class HPF 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        //有序Map，将服务优先级作为key排序
        final TreeMap<Integer, Task> treeMap = new TreeMap();
        //向队列中放入5个任务
        for (int i = 0; i < 5; i++) 
            System.out.println("add task:" + i);
            int servTime = new Random().nextInt(1000);
            //注意放入的key，是优先级，这里用i标识
            treeMap.put(i, new Task("task" + i, servTime,i));
        
        //服务线程，任务由该线程获取和执行
        new Thread(new Runnable() 
            @Override
            public void run() 
                while (true) 
                    try 
                        //有序Map中，优先级最高的，在底部部，那么自然就会优先被取出
                        Map.Entry<Integer, Task> entry = treeMap.pollLastEntry();
                        if (entry == null) 
                            Thread.currentThread().sleep(100);
                         else 
                            entry.getValue().execute();
                        
                     catch (Exception e) 
                        e.printStackTrace();
                    
                
            
        ).start();


按0-4顺序加入task
执行时，按4-0，优先级高的先得到执行，而与服务时间，加入的时间无关

以上是关于Java线程常用调度算法与应用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java线程常用定时任务算法与应用

JVM高级特性与实践（十三）：线程实现 与 Java线程调度

操作系统常用调度算法

常用的操作系统进程调度算法

一致性hash算法应用场景详解与实现（JAVA）

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