双核CPU在单个Java线程运行时的利用率

Question

可能是重复问题:
一个多线程的Java应用程序能很好地利用多核机器吗？

我有一个简单的Java线程在我的双核机器上运行（Windows XP 32位环境）。

public static void main(String[] strs) {

    long j  = 0;
    for(long i = 0; i<Long.MAX_VALUE; i++)
        j++;

    System.out.println(j);
    }

我原本期望它只使用一个CPU以充分利用高速缓存(因为在循环中我们一直使用本地变量j，因此一个CPU的利用率将达到100%，而另一个CPU则几乎空闲)。令我惊讶的是，在线程启动后，两个CPU的利用率都在40%~60%左右，并且一个CPU的利用率略高于另一个CPU。

我的问题是，是否有任何操作系统负载平衡机制会在检测到不平衡时启动？在我的情况下，Windows操作系统是否发现一个CPU接近100%，而另一个CPU几乎空闲，因此定期重新安排线程到另一个CPU上？

#EDIT1 我已经找到了一个可能的解释： http://siber.cankaya.edu.tr/ozdogan/OperatingSystems/ceng328/node130.html

- njzhxf

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是的，操作系统会在不同线程之间进行切换。 - Mysticial

我认为这个问题已经得到了解答：http://stackoverflow.com/questions/1649402/would-a-multithreaded-java-application-exploit-a-multi-core-machine-very-well - Griffin

请注意，大多数Java程序都会尝试使用一个核心并保持在一个核心上，这是我在玩Minecraft时发现的。这里有一个故事，是一个人在他的新电脑上发现这一点的 http://mlee888.wordpress.com/2006/03/31/java-performance-in-dual-coremultiprocessor-environment/ - Griffin

@parioscreations之前的问题是关于多线程应用程序的。这个问题是关于单线程应用程序的。 - Rogel Garcia

@parioscreations 是的，这是一个单线程场景。 - njzhxf

这可能会有所帮助：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms686253.aspx和http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms684251.aspx - user541686

Answer 1

当操作系统执行线程时，它会运行每个线程一段时间（例如10-20毫秒），然后保存线程的状态，并寻找其他要运行的线程。尽管从CPU利用率图表中看起来似乎只有程序中的线程在运行，但实际上操作系统运行的线程比这还要多。有正在运行UI循环的线程，正在等待I/O的线程，正在运行后台服务的线程等等。大部分线程大部分时间都在等待某些东西。

我之所以谈论这个问题是为了解释从操作系统的角度来看，情况比看起来更加复杂。有许多线程在做许多事情，操作系统正在试图在它们之间切换。假设你想要实现一个启发式算法，如果一个线程上次使用完整的量子，则操作系统将努力安排它到相同的核心。操作系统需要跟踪并考虑更多信息，优化的成功可能取决于许多难以预测的因素。

此外，在实践中，将线程与核心关联的好处通常微不足道，因此操作系统不会自动尝试这样做。相反，它们提供了一种功能，允许开发人员明确表示特定线程应与核心关联，然后操作系统将尊重这个决定。

这似乎是一个合理的折衷：如果您的线程在与核心关联时表现更好，只需要求操作系统这样做。但是，操作系统不会费心为您解决这个问题。

- Igor ostrovsky

Answer 2

如您所述，操作系统会在不同线程之间切换。以下本地代码也与您所描述的相同。

int main( int argc, char** argv )
{
    while( true );
    return 0;
}

如果您查看进程，它会不断保持在25％（使用四核），但来自Windows 7的资源监视器显示4个内核都没有恒定地达到100％，即使0号内核的使用率高于其他内核。

CPU可能会共享缓存，因此这种行为并不意味着未使用缓存。

- Correa

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有没有官方/记录的解释，说明操作系统为什么以及如何在线程之间进行切换？ - njzhxf

@StephenC 想要更深入地了解它。 - njzhxf

@njzhxf - 那你为什么需要一个“官方”的解释呢？（不过我不期望你能在微软的网站上找到任何相关信息……那才是你需要查找的地方。） - Stephen C

Answer 3

http://en.wikipedia.org/wiki/Preemption_%28computing%29

http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_multitasking#Preemptive_multitasking.2Ftime-sharing

- gordy