netty系列之:在netty中实现线程和CPU绑定
简介
之前我们介绍了一个非常优秀的细粒度控制JAVA线程的库：java thread affinity。使用这个库你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。
本文的例子可以参考：learn-netty4
更多内容请参考 http://www.flydean.com/51-netty-thread-affinity/
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