CN104978006B - 一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法，包括以下步骤：1)当系统的多个线程需要进入等待状态时，创建一独立计时线程，用于针对调用系统提供的一条件等待函数；2)当所述多个线程中的一空闲线程需要usleep时，判断调用条件：3)所述独立计时线程进行计时一个周期后，判断所述多个线程中是否存在等待唤醒的线程，如存在，则唤醒前述空闲线程；4)进程退出时，关闭计时线程。本发明使同样的程序在系统中运行时，增加一个独立计时线程，但是，由于采用条件等待函数代替usleep函数实现空闲线程进入条件等待状态，而无需使系统的所有线程都处于usleep状态，从而大幅度地降低CPU的使用率。

Description

一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法

技术领域

本发明涉及电通信技术领域，具体涉及一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法。

背景技术

近年来，网络安全的课题被提到越来越重要的位置。说到网络安全，就不得不提到对于网络安全有着重要作用的深度包监测(DPI)系统等。

在当下高带宽高流量的情况下，为了满足实际需求，系统又必然都是多线程协同工作的。这些系统都是由数据包驱动的。大部分时间系统都会近乎满负荷运转，但是在一部分时间，系统是没有数据包驱动运转的。此刻，系统就需要使用usleep功能暂停并等待下一个包的到来。但是使用usleep功能有一个问题，将会使CPU处于高使用率的状态。CPU的使用率除了与运行的线程数量、线程本身的运算量以及CPU本身的性能有关，例如，在系统使用16个线程运行时，硬件环境：Intel Xeom CPU E5-4620，64核，如暂时无数据包驱动，所有的线程都不做任何工作，只是单纯的usleep的时候。即使所有线程都在通过usleep功能处于等待状态，也会使CPU的使用率到达近乎100％。

之所以选用usleep功能应对系统无数据包驱动的情况，是出于保障处理精确度的考量，而在实际的系统运转过程中，对处理精确度的要求并不统一，现有技术采用usleep功能实现的空闲等待方法，不能够灵活的根据处理精确度需求进行调整，从而使系统的CPU的使用率居高不下，这样不仅会提高系统的功耗，而且会降低系统的运行速度，无法使系统保持一较佳的运转状态。

发明内容

针对上述问题，为了让系统无数据包驱动运转的等待时间可以保持CPU较低的使用率，本发明的目的在于提供一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其更加有效地控制线程的运行，在牺牲了一点精度的代价下，大大降低了CPU的使用率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法，包括以下步骤：

1)当系统的多个线程需要进入等待状态时，创建一独立计时线程，用于针对调用系统提 供的一条件等待函数；

2)当所述多个线程中的一空闲线程需要usleep时，判断调用条件：

2-1)如果精度要求高，直接调用usleep函数；

2-2)如果等待时间大于一设定阈值，直接调用usleep函数；

2-3)否则，调用条件等待函数，使所述空闲线程进入条件等待状态；

3)所述独立计时线程进行计时一个周期后，判断所述多个线程中是否存在等待唤醒的线程，如存在，则唤醒前述空闲线程；

4)进程退出时，关闭计时线程。

进一步地，所述系统为具有多个线程的一实施数据处理系统。

具体地，所述系统为一深度包监测(DPI)系统。

进一步地，所述条件等待函数为con_wait函数和con_signal函数。

进一步地，所述精度要求与系统的传输能力成正比。

具体地，如系统的带宽越大，则精度要求越高。

进一步地，所述设定阀值包括时间阈值t和线程数阈值n。

进一步地，所述设定阀值根据CPU性能、线程数及操作系统性能进行设定。

通过采取上述技术方案，本发明使同样的程序在系统中运行时，增加一个独立计时线程，但是，由于采用条件等待函数代替usleep函数实现空闲线程进入条件等待状态，而无需使系统的所有线程都处于usleep状态，从而大幅度地降低CPU的使用率。进而获得降低系统的功耗，提高系统的运行速度，使系统保持一较佳的运转状态，并延长系统的硬件寿命的技术效果。

附图说明

图1为本发明的多线程模式下的低功耗空闲等待方法的流程步骤图。

图2为本发明实施例中计算阈值(线程数n和等待时间t)的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

如图1所示，本发明的多线程模式下的低功耗空闲等待方法是一个可以大大降低CPU使用率和功耗的usleep替代方法。

该方法的主要步骤为：

(1)当系统的多个线程需要进入等待状态时，创建一个独立的计时线程，用于针对的调用系统提供的条件等待函数；

(2)当某线程需要usleep时，判断调用条件：

1)如果精度要求高，直接调用usleep函数；

2)如果等待时间大于设定阈值，直接调用usleep函数；

3)否则调用条件等待函数替代，本质是让多个线程进入条件等待状态；

(3)线程计时一个周期后，判断是否存在等待唤醒的线程，如果存在则唤醒条件等待的线程；

(4)进程退出时，关闭计时线程。

需要说明的是，对于频繁调用，大部分调用都只会涉及步骤(2)、(3)，只有第一次调用才会涉及步骤(1)，最后一次调用后才会涉及(4)。

本发明的核心技术构思在于：

usleep可以控制精度，只是当多个经常需要同时usleep的时候，即便精度稍低，还是会消耗大量的CPU资源，所以需要开启一个线程统一管理其他线程的等待。精度要求主要根据实际的用户需求，一般而言，精度要求与系统的传输能力成正比。例如当在一个局域网部署检测系统的时候，由于其带宽较小，网络上发包收包有限，精度要求就可以放低一些，也不会致使系统丢包等。

1、使用con_wait和con_signal实现usleep类似的功能；con_wait的作用是使进程进入等待状态，从而让出CPU等资源供其他线程使用，不会像usleep一样占用CPU。con_signal的作用是唤醒处于等待状态的线程，使其继续工作。

2、使用一个后台线程即开启的计时线程usleep替代多个线程同时usleep，大大降低了CPU的使用率；

3、实现简单，只需根据系统运行环境设定精度要求及阀值，决定是否采用条件等待函数代替usleep函数。

本发明要保护的内容为：

1、通过调用条件决定是否需要使用信号量的方法进行等待；

2、一种利用信号量实现等待的方法：使用con_wait和con_signal实现usleep类似的功能；

3、一种多线程下的空闲等待归一方法：各个线程等待多长时间，其计时工作统一交由后台计时线程来做，通过归一化进行等待时间的控制。使用一个后台线程usleep替代多个线程 同时usleep，在起到相同作用的同时大大降低了CPU的使用率，降低了功耗。

本发明的方法可以在多线程需要同时等待时，大大降低CPU的使用率，降低计算机能耗，延长计算机寿命等。

当所有线程需要等待时，不使用usleep函数，而是进入条件等待状态，此时这些线程都将不耗费CPU周期。然后开启一个独立线程用于唤醒这些等待线程。

采用本发明提供的方法可以让同样的程序，进程数由原本的16个增加到17个，但是CPU使用率会降低至23.3％，大约降低了79.6％，仅是原来的20.4％。本方法适用于对时间精度要求不是特别高的场景。

图2所示为根据实际环境计算阈值(线程数n和等待时间t)的流程图，计算阀值的过程具体包括以下步骤：

当系统需要在新的运行环境下部署时，可以先通过预处理计算调用过程中需要用到的阈值。具体的，在新的运行环境下，通过对进程数n和等待时间t的参数调节，找到usleep和替代方法的均衡点，以便在满足需求的同时通过使用替代方法达到节省CPU资源以及节省能源的目的。图2中最后的“记录各个条件”就是在当前环境下的阈值。即等待时间阈值t和线程数阈值n。

例如具体环境，同样的Intel Xeon CPU E5-2630,2.60GHz，当操作系统是RHEL-5.7，内核2.6.18的时候，1个/16个线程除了usleep(1)其他什么都不做，会让CPU使用率都基本为0，因此就不需要使用调用条件等待函数替代uleep函数；

但是当操作系统为RHEL-6.4，内核为2.6.32时，1个线程即使usleep也会使CPU使用率上升至17％-27％，16个线程会使CPU使用率上升至82％-117％；当使用调用条件等待函数替代uleep函数后，CPU使用率可以分别降低至0.2％-12％。

根据图2中所示的方法步骤，当usleep(5000)的时候，并且线程数为16，使用本发明的方法和不使用本发明的方法，CPU利用率是一样的，那么这个t＝5000和n＝16就被设置为阈值。根据调用情况及这个阈值，就可以做出判定是否使用我们的方法进行替代。此环境下，当T<5000且N>16的时候，是需要使用本发明的方法对usleep函数进行替代的，并且可以得到很好的效果。

需说明的是，本发明的方法适用于多线程需要等待的系统。并不限于深度包监测系统，对其他实时数据处理系统而言，本发明的方法同样是适宜的。

Claims (8)

1.一种多线程模式下的低功耗空闲等待方法，包括以下步骤：

1)当系统的多个线程需要进入等待状态时，创建一独立计时线程，用于针对调用系统提供的一条件等待函数；

2)当所述多个线程中的一空闲线程需要usleep时，判断调用条件：

2-1)如果精度要求高，直接调用usleep函数；

2-2)如果等待时间大于一设定阈值，直接调用usleep函数；所述设定阈 值根据系统的运行环境计算；

2-3)否则，调用条件等待函数，使所述空闲线程进入条件等待状态；

3)所述独立计时线程进行计时一个周期后，判断所述多个线程中是否存在等待唤醒的线程，如存在，则唤醒前述空闲线程；

4)进程退出时，关闭计时线程。

2.如权利要求1所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述系统为具有多个线程的一实施数据处理系统。

3.如权利要求2所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述系统为一深度包监测系统。

4.如权利要求1所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述条件等待函数为con_wait函数和con_signal函数。

5.如权利要求1所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述精度要求与系统的传输能力成正比。

6.如权利要求5所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，如系统的带宽越大，则精度要求越高。

7.如权利要求1所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述设定阈值包括时间阈值t和线程数阈值n。

8.如权利要求7所述的多线程模式下的低功耗空闲等待方法，其特征在于，所述设定阈值根据CPU性能、线程数及操作系统性能进行设定。