当忙于旋转的Java线程绑定到物理核心时，是否可以通过到达代码中的新分支的原因来进行上下文切换？

如何解决当忙于旋转的Java线程绑定到物理核心时，是否可以通过到达代码中的新分支的原因来进行上下文切换？

我对低延迟代码感兴趣，这就是为什么我尝试配置线程相似性的原因。特别是，它应该有助于避免上下文切换。

我已使用https://github.com/OpenHFT/Java-Thread-Affinity配置了线程相似性。我运行了非常简单的测试代码，它只是循环检查时间条件。

    long now = start;
    while (true)
    {
        if (now < start + TimeUtils.NANOS_IN_SECOND * delay)
        {
            now = TimeUtils.now();
        }
        else
        {
            // Will be printed after 30 sec
            if (TimeUtils.now() > start + TimeUtils.NANOS_IN_SECOND * (delay + 30))
            {
                final long finalNow = now;
                System.out.println("Time is over at " +
                        TimeUtils.toInstant(finalNow) + " now: " +
                        TimeUtils.toInstant(TimeUtils.now()));
                System.exit(0);
            }
        }
    }

因此，在指定的延迟后，执行将转到“ else”，并且几乎同时我会看到上下文切换。这是预期的行为吗？具体原因是什么？在这种情况下如何避免上下文切换？

测试详细信息

我通过此仓库https://github.com/stepan2271/thread-affinity-example构建了shadowJar。然后，我使用以下命令运行它（一个可以在此处玩数字，当延迟> 60时，它对测试没有显着影响）：

taskset -c 19 java -DtestLoopBindingCpu=3 -Ddelay=74 -cp demo-all.jar main.TestLoop

我还具有以下测试脚本来监视上下文切换（应以绑定到核心的Java线程的ID运行）

#!/bin/bash
while [ true ]
do
date >> ~/demo-ctxt-switches.log
cat /proc/$1/status | grep ctxt >> ~/demo-ctxt-switches.log
sleep 3
done

此脚本的典型输出如下：

Fri Oct 16 18:23:29 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    90
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:32 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    90
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:35 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    90
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:38 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    90
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:41 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    91
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:44 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    91
nonvoluntary_ctxt_switches: 37
Fri Oct 16 18:23:47 MSK 2020
voluntary_ctxt_switches:    91
nonvoluntary_ctxt_switches: 37

因此，在启动时间进行了一些更改之后，这些数字变得稳定了，然后我看到代码到达“ else”分支时，从1到3个开关正好（差值小于1秒）。

偏差

基本配置几乎每次都会重现此行为，而某些偏差导致我无法重现时的情况。例子：

https://github.com/stepan2271/thread-affinity-example/tree/without-log4j

https://github.com/stepan2271/thread-affinity-example/tree/without-cached-nano-clock

测试环境

2 * Intel（R）Xeon（R）Gold 6244 CPU @ 3.60GHz

Red Hat Enterprise Linux 8.1（Ootpa）

在/etc/systemd/system.conf和/etc/systemd/user.conf中使用CPUAffinity隔离内核

/ etc / sysconfig / irqbalance已配置。

Openjdk 11.0.6 2020-01-14 LTS运行时环境18.9

解决方法

自愿上下文切换通常意味着线程正在等待某些东西，例如以获得免费的锁。

async-profiler可以帮助查找上下文切换发生的位置。这是我使用的命令行：

./profiler.sh -d 80 -e context-switches -i 2 -t -f switches.svg -I 'main*' -X 'exit_to_usermode_loop*' PID

让我们详细了解一下：

-d 80最多运行Profiler 80秒。
-e context-switches要配置的事件。
-i 2间隔= 2个事件。我剖析了每个第二个上下文切换，因为分析信号本身会导致上下文切换，并且我不想陷入递归。
-t按线程划分配置文件。
-f switches.svg输出文件名； svg扩展程序会自动选择“火焰图”格式。
-I 'main*'仅在输出中包含主线程。
-X 'exit_to_usermode_loop*'排除与非自愿上下文切换相关的事件。
PID要配置的Java进程ID。

每次运行的结果可能会有所不同。通常，我在每个图上看到0到3个上下文切换。

这是上下文切换最常见的地方。它们确实与等待互斥有关。

ThreadSafepointState::handle_polling_page_exception()

TestLoop.main。这意味着一个线程已在另一个线程请求的安全点处停止。要调查安全点的原因，请添加-Xlog:safepoint* JVM选项。

[75.889s][info][safepoint        ] Application time: 74.0071000 seconds
[75.889s][info][safepoint        ] Entering safepoint region: Cleanup
[75.889s][info][safepoint,cleanup] deflating idle monitors,0.0000003 secs
[75.889s][info][safepoint,cleanup] updating inline caches,0.0000058 secs
[75.890s][info][safepoint,cleanup] compilation policy safepoint handler,0.0000004 secs
[75.890s][info][safepoint,cleanup] purging class loader data graph,0.0000001 secs
[75.890s][info][safepoint,cleanup] resizing system dictionaries,0.0000009 secs
[75.890s][info][safepoint,cleanup] safepoint cleanup tasks,0.0001440 secs
[75.890s][info][safepoint        ] Leaving safepoint region

正确的是，在74秒（恰好是指定的延迟）后不久便发生了一个清理安全点。 Cleanup safepoint的目的是运行定期任务；在这种情况下-更新内联缓存。如果有清理工作要做，安全点可能每GuaranteedSafepointInterval毫秒（默认为1000）发生一次。您可以通过设置-XX:GuaranteedSafepointInterval=0来禁用定期的安全点，但是可能会有performance implications。

SharedRuntime::handle_wrong_method()

TimeUtils.now。当已编译代码中的呼叫站点变为非进入时，就会发生这种情况。由于这与JIT编译有关，因此请添加-XX:+PrintCompilation选项。

  75032 1430 %     4       main.TestLoop::main @ 149 (245 bytes)   made not entrant
  75033 1433 %     3       main.TestLoop::main @ 149 (245 bytes)
  75033 1434       4       util.RealtimeNanoClock::nanoTime (8 bytes)
  75034 1431       3       util.RealtimeNanoClock::nanoTime (8 bytes)   made not entrant
  75039 1435 %     4       main.TestLoop::main @ 149 (245 bytes)
  75043 1433 %     3       main.TestLoop::main @ 149 (245 bytes)   made not entrant

是的，TestLoop.main和RealtimeNanoClock.nanoTime都在JVM启动75秒后重新编译。要找出原因，请添加-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+LogCompilation。

这将产生一个大的编译日志，我们将在其中查找第75秒发生的事件。

<uncommon_trap thread='173414' reason='unstable_if' action='reinterpret' debug_id='0' compile_id='1232' compile_kind='osr' compiler='c2' level='4' stamp='75.676'>
<jvms bci='161' method='main.TestLoop main ([Ljava/lang/String;)V' bytes='245' count='1' backedge_count='533402' iicount='1'/>

由于unstable_if位于字节码索引161处，因此是uncommon trap。换句话说，当JIT编译main时，HotSpot不会为else分支生成代码，因为它以前从未执行过（消除了推测性的死代码）。但是，为了保持编译后代码的正确性，如果推测条件失败，HotSpot会设置陷阱以进行非优化并退回到解释器。当您的情况if变为false时，这正是您的情况。

Runtime1::counter_overflow()。这又与重新编译有关。在运行C1编译代码一段时间后，HotSpot发现该代码很热，并决定使用C2重新编译它。

在这种情况下，我在编译器队列上遇到了竞争锁。

结论

HotSpot JIT编译器严重依赖于推测性优化。当投机条件失败时，这将导致优化不足。取消优化确实对低延迟的应用程序非常不利：除了在解释器中切换到慢速执行之外，这还可能由于获取JVM运行时中的锁或将JVM置于安全点而间接导致不希望的暂停。

不优化的常见原因是unstable_if和class_check。如果要避免在延迟关键路径上进行非优化，请确保为虚拟方法“预热”所有代码路径和所有可能的接收器。

当忙于旋转的Java线程绑定到物理核心时，是否可以通过到达代码中的新分支的原因来进行上下文切换？

如何解决当忙于旋转的Java线程绑定到物理核心时，是否可以通过到达代码中的新分支的原因来进行上下文切换？

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