詳解Java程序中的線程數(shù)應(yīng)該設(shè)置多少才算合理

需求緣起

Web-Server通常有個(gè)配置，最大工作線程數(shù)，后端服務(wù)一般也有個(gè)配置，工作線程池的線程數(shù)量，這個(gè)線程數(shù)的配置不同的業(yè)務(wù)架構(gòu)師有不同的經(jīng)驗(yàn)值，有些業(yè)務(wù)設(shè)置為CPU核數(shù)的2倍，有些業(yè)務(wù)設(shè)置為CPU核數(shù)的8倍，有些業(yè)務(wù)設(shè)置為CPU核數(shù)的32倍。

“工作線程數(shù)”的設(shè)置依據(jù)是什么，到底設(shè)置為多少能夠最大化CPU性能，是本文要討論的問(wèn)題。

一些共性認(rèn)知

在進(jìn)行進(jìn)一步深入討論之前，先以提問(wèn)的方式就一些共性認(rèn)知達(dá)成一致。

1、提問(wèn)：工作線程數(shù)是不是設(shè)置的越大越好？

回答：肯定不是的。

• 一來(lái)服務(wù)器CPU核數(shù)有限，同時(shí)并發(fā)的線程數(shù)是有限的，1核CPU設(shè)置10000個(gè)工作線程沒(méi)有意義。
• 線程切換是有開(kāi)銷(xiāo)的，如果線程切換過(guò)于頻繁，反而會(huì)使性能降低。

2、提問(wèn)：調(diào)用sleep()函數(shù)的時(shí)候，線程是否一直占用CPU？

回答：不占用，等待時(shí)會(huì)把CPU讓出來(lái)，給其他需要CPU資源的線程使用。

不止調(diào)用sleep()函數(shù)，在進(jìn)行一些阻塞調(diào)用，例如網(wǎng)絡(luò)編程中的阻塞accept()【等待客戶端連接】和阻塞recv()【等待下游回包】也不占用CPU資源。

3、提問(wèn)：如果CPU是單核，設(shè)置多線程有意義么，能提高并發(fā)性能么？

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(wù)/代碼更加清晰，有些IO線程收發(fā)包，有些Worker線程進(jìn)行任務(wù)處理，有些Timeout線程進(jìn)行超時(shí)檢測(cè)。

如果有一個(gè)任務(wù)一直占用CPU資源在進(jìn)行計(jì)算，那么此時(shí)增加線程并不能增加并發(fā)，例如這樣的一個(gè)代碼：

while(1){ i++; }

該代碼一直不停的占用CPU資源進(jìn)行計(jì)算，會(huì)使CPU占用率達(dá)到100%。

通常來(lái)說(shuō)，Worker線程一般不會(huì)一直占用CPU進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)即使CPU是單核，增加Worker線程也能夠提高并發(fā)，因?yàn)檫@個(gè)線程在休息的時(shí)候，其他的線程可以繼續(xù)工作。

常見(jiàn)服務(wù)線程模型

了解常見(jiàn)的服務(wù)線程模型，有助于理解服務(wù)并發(fā)的原理，一般來(lái)說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)常見(jiàn)的服務(wù)線程模型有如下兩種：

1. IO線程與工作線程通過(guò)隊(duì)列解耦類(lèi)模型

如上圖，大部分Web-Server與服務(wù)框架都是使用這樣的一種 IO線程與Worker線程通過(guò)隊(duì)列解耦 類(lèi)線程模型：

• 有少數(shù)幾個(gè)IO線程監(jiān)聽(tīng)上游發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，并進(jìn)行收發(fā)包（生產(chǎn)者）
• 有一個(gè)或者多個(gè)任務(wù)隊(duì)列，作為IO線程與Worker線程異步解耦的數(shù)據(jù)傳輸通道（臨界資源）
• 有多個(gè)工作線程執(zhí)行正真的任務(wù)（消費(fèi)者）

這個(gè)線程模型應(yīng)用很廣，符合大部分場(chǎng)景，這個(gè)線程模型的特點(diǎn)是，工作線程內(nèi)部是同步阻塞執(zhí)行任務(wù)的（回想一下tomcat線程中是怎么執(zhí)行Java程序的，dubbo工作線程中是怎么執(zhí)行任務(wù)的），因此可以通過(guò)增加Worker線程數(shù)來(lái)增加并發(fā)能力，今天要討論的重點(diǎn)是：“該模型Worker線程數(shù)設(shè)置為多少能達(dá)到最大的并發(fā)”。

2. 純異步線程模型

任何地方都沒(méi)有阻塞，這種線程模型只需要設(shè)置很少的線程數(shù)就能夠做到很高的吞吐量，Lighttpd有一種單進(jìn)程單線程模式，并發(fā)處理能力很強(qiáng)，就是使用的的這種模型。該模型的缺點(diǎn)是：

• 如果使用單線程模式，難以利用多CPU多核的優(yōu)勢(shì)
• 程序員更習(xí)慣寫(xiě)同步代碼，callback的方式對(duì)代碼的可讀性有沖擊，對(duì)程序員的要求也更高
• 框架更復(fù)雜，往往需要server端收發(fā)組件，server端隊(duì)列，client端收發(fā)組件，client端隊(duì)列，上下文管理組件，有限狀態(tài)機(jī)組件，超時(shí)管理組件的支持

however，這個(gè)模型不是今天討論的重點(diǎn)。

工作線程的工作模式

了解工作線程的工作模式，對(duì)量化分析線程數(shù)的設(shè)置非常有幫助：

上圖是一個(gè)典型的工作線程的處理過(guò)程，從開(kāi)始處理start到結(jié)束處理end，該任務(wù)的處理共有7個(gè)步驟：

1. 從工作隊(duì)列里拿出任務(wù)，進(jìn)行一些本地初始化計(jì)算，例如http協(xié)議分析、參數(shù)解析、參數(shù)校驗(yàn)等
2. 訪問(wèn)cache拿一些數(shù)據(jù)
3. 拿到cache里的數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行一些本地計(jì)算，這些計(jì)算和業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)
4. 通過(guò)RPC調(diào)用下游service再拿一些數(shù)據(jù)，或者讓下游service去處理一些相關(guān)的任務(wù)
5. RPC調(diào)用結(jié)束后，再進(jìn)行一些本地計(jì)算，怎么計(jì)算和業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)
6. 訪問(wèn)DB進(jìn)行一些數(shù)據(jù)操作
7. 操作完數(shù)據(jù)庫(kù)之后做一些收尾工作，同樣這些收尾工作也是本地計(jì)算，和業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)

分析整個(gè)處理的時(shí)間軸，會(huì)發(fā)現(xiàn)：

1）其中1，3，5，7步驟中【上圖中粉色時(shí)間軸】，線程進(jìn)行本地業(yè)務(wù)邏輯計(jì)算時(shí)需要占用CPU。
2）而2，4，6步驟中【上圖中橙色時(shí)間軸】，訪問(wèn)cache、service、DB過(guò)程中線程處于一個(gè)等待結(jié)果的狀態(tài)，不需要占用CPU。

進(jìn)一步的分解，這個(gè)“等待結(jié)果”的時(shí)間共分為三部分：

1. 請(qǐng)求在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)较掠蔚腸ache、service、DB。
2. 下游cache、service、DB進(jìn)行任務(wù)處理。
3. cache、service、DB將報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳回工作線程。

量化分析并合理設(shè)置工作線程數(shù)

最后一起來(lái)回答工作線程數(shù)設(shè)置為多少合理的問(wèn)題。

通過(guò)上面的分析，Worker線程在執(zhí)行的過(guò)程中，有一部計(jì)算時(shí)間需要占用CPU，另一部分等待時(shí)間不需要占用CPU，通過(guò)量化分析，例如打日志進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以統(tǒng)計(jì)出整個(gè)Worker線程執(zhí)行過(guò)程中這兩部分時(shí)間的比例，例如：

1. 時(shí)間軸1，3，5，7【上圖中粉色時(shí)間軸】的計(jì)算執(zhí)行時(shí)間是100ms 。
2. 時(shí)間軸2，4，6【上圖中橙色時(shí)間軸】的等待時(shí)間也是100ms 。

得到的結(jié)果是，這個(gè)線程計(jì)算和等待的時(shí)間是1：1，即有50%的時(shí)間在計(jì)算（占用CPU），50%的時(shí)間在等待（不占用CPU）：

1. 假設(shè)此時(shí)是單核，則設(shè)置為2個(gè)工作線程就可以把CPU充分利用起來(lái)，讓CPU跑到100% 。
2. 假設(shè)此時(shí)是N核，則設(shè)置為2N個(gè)工作線程就可以把CPU充分利用起來(lái)，讓CPU跑到N*100%。

結(jié)論

N核服務(wù)器，通過(guò)執(zhí)行業(yè)務(wù)的單線程分析出本地計(jì)算時(shí)間為x，等待時(shí)間為y，則工作線程數(shù)（線程池線程數(shù)）設(shè)置為 N*(x+y)/x，能讓CPU的利用率最大化。

經(jīng)驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，非CPU密集型的業(yè)務(wù)（加解密、壓縮解壓縮、搜索排序等業(yè)務(wù)是CPU密集型的業(yè)務(wù)），瓶頸都在后端數(shù)據(jù)庫(kù)，本地CPU計(jì)算的時(shí)間很少，所以設(shè)置幾十或者幾百個(gè)工作線程也都是可能的。

以上就是Java中應(yīng)該設(shè)置多少個(gè)線程才算合理的詳細(xì)內(nèi)容，想要了解更多關(guān)于Java線程數(shù)的資料，請(qǐng)關(guān)注W3Cschool其它相關(guān)文章！也希望大家以后能夠多多支持！