Java線程數究竟設多少合理

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需求緣起

Web-Server通常有個配置，最大工作線程數，後端服務一般也有個配置，工作線程池的線程數量，這個線程數的配置不同的業務架構師有不同的經驗值，有些業務設置為CPU核數的2倍，有些業務設置為CPU核數的8倍，有些業務設置為CPU核數的32倍。

“工作線程數”的設置依據是什麼，到底設置為多少能夠最大化CPU性能，是本文要討論的問題。

一些共性認知

在進行進一步深入討論之前，先以提問的方式就一些共性認知達成一致。

1、提問：工作線程數是不是設置的越大越好？

回答：肯定不是的。

  • 一來服務器CPU核數有限，同時並發的線程數是有限的，1核CPU設置10000個工作線程沒有意義。
  • 線程切換是有開銷的，如果線程切換過於頻繁，反而會使性能降低。

2、提問：調用sleep()函數的時候，線程是否一直占用CPU？

回答：不占用，等待時會把CPU讓出來，給其他需要CPU資源的線程使用。

不止調用sleep()函數，在進行一些阻塞調用，例如網絡編程中的阻塞accept()【等待客戶端連接】和阻塞recv()【等待下遊回包】也不占用CPU資源。

3、提問：如果CPU是單核，設置多線程有意義麼，能提高並發性能麼？

回答：即使是單核，使用多線程也是有意義的。

多線程編碼可以讓我們的服務/代碼更加清晰，有些IO線程收發包，有些Worker線程進行任務處理，有些Timeout線程進行超時檢測。

如果有一個任務一直占用CPU資源在進行計算，那麼此時增加線程並不能增加並發，例如這樣的一個代碼：

while(1){ i++; }

該代碼一直不停的占用CPU資源進行計算，會使CPU占用率達到100%。

通常來說，Worker線程一般不會一直占用CPU進行計算，此時即使CPU是單核，增加Worker線程也能夠提高並發，因為這個線程在休息的時候，其他的線程可以繼續工作。

常見服務線程模型

瞭解常見的服務線程模型，有助於理解服務並發的原理，一般來說互聯網常見的服務線程模型有如下兩種：

1. IO線程與工作線程通過隊列解耦類模型

如上圖，大部分Web-Server與服務框架都是使用這樣的一種 IO線程與Worker線程通過隊列解耦 類線程模型：

  • 有少數幾個IO線程監聽上遊發過來的請求，並進行收發包（生產者）
  • 有一個或者多個任務隊列，作為IO線程與Worker線程異步解耦的數據傳輸通道（臨界資源）
  • 有多個工作線程執行正真的任務（消費者）

這個線程模型應用很廣，符合大部分場景，這個線程模型的特點是，工作線程內部是同步阻塞執行任務的（回想一下tomcat線程中是怎麼執行Java程序的，dubbo工作線程中是怎麼執行任務的），因此可以通過增加Worker線程數來增加並發能力，今天要討論的重點是：“該模型Worker線程數設置為多少能達到最大的並發”。

2. 純異步線程模型

任何地方都沒有阻塞，這種線程模型隻需要設置很少的線程數就能夠做到很高的吞吐量，Lighttpd有一種單進程單線程模式，並發處理能力很強，就是使用的的這種模型。該模型的缺點是：

  • 如果使用單線程模式，難以利用多CPU多核的優勢
  • 程序員更習慣寫同步代碼，callback的方式對代碼的可讀性有沖擊，對程序員的要求也更高
  • 框架更復雜，往往需要server端收發組件，server端隊列，client端收發組件，client端隊列，上下文管理組件，有限狀態機組件，超時管理組件的支持

however，這個模型不是今天討論的重點。

工作線程的工作模式

瞭解工作線程的工作模式，對量化分析線程數的設置非常有幫助：

上圖是一個典型的工作線程的處理過程，從開始處理start到結束處理end，該任務的處理共有7個步驟：

  1. 從工作隊列裡拿出任務，進行一些本地初始化計算，例如http協議分析、參數解析、參數校驗等
  2. 訪問cache拿一些數據
  3. 拿到cache裡的數據後，再進行一些本地計算，這些計算和業務邏輯相關
  4. 通過RPC調用下遊service再拿一些數據，或者讓下遊service去處理一些相關的任務
  5. RPC調用結束後，再進行一些本地計算，怎麼計算和業務邏輯相關
  6. 訪問DB進行一些數據操作
  7. 操作完數據庫之後做一些收尾工作，同樣這些收尾工作也是本地計算，和業務邏輯相關

分析整個處理的時間軸，會發現：

1）其中1，3，5，7步驟中【上圖中粉色時間軸】，線程進行本地業務邏輯計算時需要占用CPU。
2）而2，4，6步驟中【上圖中橙色時間軸】，訪問cache、service、DB過程中線程處於一個等待結果的狀態，不需要占用CPU。

進一步的分解，這個“等待結果”的時間共分為三部分：

  1. 請求在網絡上傳輸到下遊的cache、service、DB。
  2. 下遊cache、service、DB進行任務處理。
  3. cache、service、DB將報文在網絡上傳回工作線程。

量化分析並合理設置工作線程數

最後一起來回答工作線程數設置為多少合理的問題。

通過上面的分析，Worker線程在執行的過程中，有一部計算時間需要占用CPU，另一部分等待時間不需要占用CPU，通過量化分析，例如打日志進行統計，可以統計出整個Worker線程執行過程中這兩部分時間的比例，例如：

  1. 時間軸1，3，5，7【上圖中粉色時間軸】的計算執行時間是100ms 。
  2. 時間軸2，4，6【上圖中橙色時間軸】的等待時間也是100ms 。

得到的結果是，這個線程計算和等待的時間是1：1，即有50%的時間在計算（占用CPU），50%的時間在等待（不占用CPU）：

  1. 假設此時是單核，則設置為2個工作線程就可以把CPU充分利用起來，讓CPU跑到100% 。
  2. 假設此時是N核，則設置為2N個工作線程就可以把CPU充分利用起來，讓CPU跑到N*100%。

結論

N核服務器，通過執行業務的單線程分析出本地計算時間為x，等待時間為y，則工作線程數（線程池線程數）設置為 N*(x+y)/x，能讓CPU的利用率最大化。

經驗

一般來說，非CPU密集型的業務（加解密、壓縮解壓縮、搜索排序等業務是CPU密集型的業務），瓶頸都在後端數據庫，本地CPU計算的時間很少，所以設置幾十或者幾百個工作線程也都是可能的。

以上就是Java線程數究竟設多少合理的詳細內容，更多關於Java線程數的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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