如何合理地估算线程池大小?

简介:

感谢网友【蒋小强】投稿。

如何合理地估算线程池大小?

这个问题虽然看起来很小,却并不那么容易回答。大家如果有更好的方法欢迎赐教,先来一个天真的估算方法:假设要求一个系统的TPS(Transaction Per Second或者Task Per Second)至少为20,然后假设每个Transaction由一个线程完成,继续假设平均每个线程处理一个Transaction的时间为4s。那么问题转化为:

如何设计线程池大小,使得可以在1s内处理完20个Transaction?

计算过程很简单,每个线程的处理能力为0.25TPS,那么要达到20TPS,显然需要20/0.25=80个线程。

很显然这个估算方法很天真,因为它没有考虑到CPU数目。一般服务器的CPU核数为16或者32,如果有80个线程,那么肯定会带来太多不必要的线程上下文切换开销。

再来第二种简单的但不知是否可行的方法(N为CPU总核数):

  • 如果是CPU密集型应用,则线程池大小设置为N+1
  • 如果是IO密集型应用,则线程池大小设置为2N+1

如果一台服务器上只部署这一个应用并且只有这一个线程池,那么这种估算或许合理,具体还需自行测试验证。

接下来在这个文档:服务器性能IO优化 中发现一个估算公式:

1 最佳线程数目 = ((线程等待时间+线程CPU时间)/线程CPU时间 )* CPU数目

比如平均每个线程CPU运行时间为0.5s,而线程等待时间(非CPU运行时间,比如IO)为1.5s,CPU核心数为8,那么根据上面这个公式估算得到:((0.5+1.5)/0.5)*8=32。这个公式进一步转化为:

1 最佳线程数目 = (线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1)* CPU数目

可以得出一个结论:

线程等待时间所占比例越高,需要越多线程。线程CPU时间所占比例越高,需要越少线程。

上一种估算方法也和这个结论相合。

一个系统最快的部分是CPU,所以决定一个系统吞吐量上限的是CPU。增强CPU处理能力,可以提高系统吞吐量上限。但根据短板效应,真实的系统吞吐量并不能单纯根据CPU来计算。那要提高系统吞吐量,就需要从“系统短板”(比如网络延迟、IO)着手:

  • 尽量提高短板操作的并行化比率,比如多线程下载技术
  • 增强短板能力,比如用NIO替代IO

第一条可以联系到Amdahl定律,这条定律定义了串行系统并行化后的加速比计算公式:

1 加速比=优化前系统耗时 / 优化后系统耗时

加速比越大,表明系统并行化的优化效果越好。Addahl定律还给出了系统并行度、CPU数目和加速比的关系,加速比为Speedup,系统串行化比率(指串行执行代码所占比率)为F,CPU数目为N:

1 Speedup <= 1 / (F + (1-F)/N)

当N足够大时,串行化比率F越小,加速比Speedup越大。

写到这里,我突然冒出一个问题。

是否使用线程池就一定比使用单线程高效呢?

答案是否定的,比如Redis就是单线程的,但它却非常高效,基本操作都能达到十万量级/s。从线程这个角度来看,部分原因在于:

  • 多线程带来线程上下文切换开销,单线程就没有这种开销

当然“Redis很快”更本质的原因在于:Redis基本都是内存操作,这种情况下单线程可以很高效地利用CPU。而多线程适用场景一般是:存在相当比例的IO和网络操作。

所以即使有上面的简单估算方法,也许看似合理,但实际上也未必合理,都需要结合系统真实情况(比如是IO密集型或者是CPU密集型或者是纯内存操作)和硬件环境(CPU、内存、硬盘读写速度、网络状况等)来不断尝试达到一个符合实际的合理估算值。

最后来一个“Dark Magic”估算方法(因为我暂时还没有搞懂它的原理),使用下面的类:

001 package pool_size_calculate;
002
003 import java.math.BigDecimal;
004 import java.math.RoundingMode;
005 import java.util.Timer;
006 import java.util.TimerTask;
007 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
008
009 /**
010 * A class that calculates the optimal thread pool boundaries. It takes the
011 * desired target utilization and the desired work queue memory consumption as
012 * input and retuns thread count and work queue capacity.
013 *
014 * @author Niklas Schlimm
015 *
016 */
017 public abstract class PoolSizeCalculator {
018
019 /**
020 * The sample queue size to calculate the size of a single {@link Runnable}
021 * element.
022 */
023 private final int SAMPLE_QUEUE_SIZE = 1000;
024
025 /**
026 * Accuracy of test run. It must finish within 20ms of the testTime
027 * otherwise we retry the test. This could be configurable.
028 */
029 private final int EPSYLON = 20;
030
031 /**
032 * Control variable for the CPU time investigation.
033 */
034 private volatile boolean expired;
035
036 /**
037 * Time (millis) of the test run in the CPU time calculation.
038 */
039 private final long testtime = 3000;
040
041 /**
042 * Calculates the boundaries of a thread pool for a given {@link Runnable}.
043 *
044 * @param targetUtilization
045 * the desired utilization of the CPUs (0 <= targetUtilization <= * 1) * @param targetQueueSizeBytes * the desired maximum work queue size of the thread pool (bytes) */ protected voidcalculateBoundaries(BigDecimal targetUtilization, BigDecimal targetQueueSizeBytes) { calculateOptimalCapacity(targetQueueSizeBytes); Runnable task = creatTask(); start(task); start(task); // warm up phase long cputime = getCurrentThreadCPUTime(); start(task); // test intervall cputime = getCurrentThreadCPUTime() - cputime; long waittime = (testtime * 1000000) - cputime; calculateOptimalThreadCount(cputime, waittime, targetUtilization); } private void calculateOptimalCapacity(BigDecimal targetQueueSizeBytes) { long mem = calculateMemoryUsage(); BigDecimal queueCapacity = targetQueueSizeBytes.divide(new BigDecimal( mem), RoundingMode.HALF_UP); System.out.println("Target queue memory usage (bytes): " + targetQueueSizeBytes); System.out.println("createTask() produced " + creatTask().getClass().getName() + " which took " + mem + " bytes in a queue"); System.out.println("Formula: " + targetQueueSizeBytes + " / " + mem); System.out.println("* Recommended queue capacity (bytes): " + queueCapacity); } /** * Brian Goetz' optimal thread count formula, see 'Java Concurrency in * Practice' (chapter 8.2) * * @param cpu * cpu time consumed by considered task * @param wait * wait time of considered task * @param targetUtilization * target utilization of the system */ private void calculateOptimalThreadCount(long cpu, long wait, BigDecimal targetUtilization) { BigDecimal waitTime = new BigDecimal(wait); BigDecimal computeTime = new BigDecimal(cpu); BigDecimal numberOfCPU = new BigDecimal(Runtime.getRuntime() .availableProcessors()); BigDecimal optimalthreadcount = numberOfCPU.multiply(targetUtilization) .multiply( new BigDecimal(1).add(waitTime.divide(computeTime, RoundingMode.HALF_UP))); System.out.println("Number of CPU: " + numberOfCPU); System.out.println("Target utilization: " + targetUtilization); System.out.println("Elapsed time (nanos): " + (testtime * 1000000)); System.out.println("Compute time (nanos): " + cpu); System.out.println("Wait time (nanos): " + wait); System.out.println("Formula: " + numberOfCPU + " * " + targetUtilization + " * (1 + " + waitTime + " / " + computeTime + ")"); System.out.println("* Optimal thread count: " + optimalthreadcount); } /** * Runs the {@link Runnable} over a period defined in {@link #testtime}. * Based on Heinz Kabbutz' ideas * (http://www.javaspecialists.eu/archive/Issue124.html). * * @param task * the runnable under investigation */ public void start(Runnable task) { long start = 0; int runs = 0; do { if (++runs > 5) {
046 throw new IllegalStateException("Test not accurate");
047 }
048 expired = false;
049 start = System.currentTimeMillis();
050 Timer timer = new Timer();
051 timer.schedule(new TimerTask() {
052 public void run() {
053 expired = true;
054 }
055 }, testtime);
056 while (!expired) {
057 task.run();
058 }
059 start = System.currentTimeMillis() - start;
060 timer.cancel();
061 } while (Math.abs(start - testtime) > EPSYLON);
062 collectGarbage(3);
063 }
064
065 private void collectGarbage(int times) {
066 for (int i = 0; i < times; i++) {
067 System.gc();
068 try {
069 Thread.sleep(10);
070 } catch (InterruptedException e) {
071 Thread.currentThread().interrupt();
072 break;
073 }
074 }
075 }
076
077 /**
078 * Calculates the memory usage of a single element in a work queue. Based on
079 * Heinz Kabbutz' ideas
080 * (http://www.javaspecialists.eu/archive/Issue029.html).
081 *
082 * @return memory usage of a single {@link Runnable} element in the thread
083 * pools work queue
084 */
085 public long calculateMemoryUsage() {
086 BlockingQueue queue = createWorkQueue();
087 for (int i = 0; i < SAMPLE_QUEUE_SIZE; i++) {
088 queue.add(creatTask());
089 }
090 long mem0 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
091 - Runtime.getRuntime().freeMemory();
092 long mem1 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
093 - Runtime.getRuntime().freeMemory();
094 queue = null;
095 collectGarbage(15);
096 mem0 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
097 - Runtime.getRuntime().freeMemory();
098 queue = createWorkQueue();
099 for (int i = 0; i < SAMPLE_QUEUE_SIZE; i++) {
100 queue.add(creatTask());
101 }
102 collectGarbage(15);
103 mem1 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
104 - Runtime.getRuntime().freeMemory();
105 return (mem1 - mem0) / SAMPLE_QUEUE_SIZE;
106 }
107
108 /**
109 * Create your runnable task here.
110 *
111 * @return an instance of your runnable task under investigation
112 */
113 protected abstract Runnable creatTask();
114
115 /**
116 * Return an instance of the queue used in the thread pool.
117 *
118 * @return queue instance
119 */
120 protected abstract BlockingQueue createWorkQueue();
121
122 /**
123 * Calculate current cpu time. Various frameworks may be used here,
124 * depending on the operating system in use. (e.g.
125 * http://www.hyperic.com/products/sigar). The more accurate the CPU time
126 * measurement, the more accurate the results for thread count boundaries.
127 *
128 * @return current cpu time of current thread
129 */
130 protected abstract long getCurrentThreadCPUTime();
131
132 }

然后自己继承这个抽象类并实现它的三个抽象方法,比如下面是我写的一个示例(任务是请求网络数据),其中我指定期望CPU利用率为1.0(即100%),任务队列总大小不超过100,000字节:

01 package pool_size_calculate;
02
03 import java.io.BufferedReader;
04 import java.io.IOException;
05 import java.io.InputStreamReader;
06 import java.lang.management.ManagementFactory;
07 import java.math.BigDecimal;
08 import java.net.HttpURLConnection;
09 import java.net.URL;
10 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
11 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
12
13 public class SimplePoolSizeCaculatorImpl extends PoolSizeCalculator {
14
15 @Override
16 protected Runnable creatTask() {
17 return new AsyncIOTask();
18 }
19
20 @Override
21 protected BlockingQueue createWorkQueue() {
22 return new LinkedBlockingQueue(1000);
23 }
24
25 @Override
26 protected long getCurrentThreadCPUTime() {
27 return ManagementFactory.getThreadMXBean().getCurrentThreadCpuTime();
28 }
29
30 public static void main(String[] args) {
31 PoolSizeCalculator poolSizeCalculator = new SimplePoolSizeCaculatorImpl();
32 poolSizeCalculator.calculateBoundaries(new BigDecimal(1.0), newBigDecimal(100000));
33 }
34
35 }
36
37 /**
38 * 自定义的异步IO任务
39 * @author Will
40 *
41 */
42 class AsyncIOTask implements Runnable {
43
44 @Override
45 public void run() {
46 HttpURLConnection connection = null;
47 BufferedReader reader = null;
48 try {
49 String getURL = "http://baidu.com";
50 URL getUrl = new URL(getURL);
51
52 connection = (HttpURLConnection) getUrl.openConnection();
53 connection.connect();
54 reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(
55 connection.getInputStream()));
56
57 String line;
58 while ((line = reader.readLine()) != null) {
59 // empty loop
60 }
61 }
62
63 catch (IOException e) {
64
65 } finally {
66 if(reader != null) {
67 try {
68 reader.close();
69 }
70 catch(Exception e) {
71
72 }
73 }
74 connection.disconnect();
75 }
76
77 }
78
79 }

得到的输出如下:

查看源代码

打印 帮助
01 Target queue memory usage (bytes): 100000
02 createTask() produced pool_size_calculate.AsyncIOTask which took 40 bytes in a queue
03 Formula: 100000 / 40
04 * Recommended queue capacity (bytes): 2500
05 Number of CPU: 4
06 Target utilization: 1
07 Elapsed time (nanos): 3000000000
08 Compute time (nanos): 47181000
09 Wait time (nanos): 2952819000
10 Formula: 4 * 1 * (1 + 2952819000 / 47181000)
11 * Optimal thread count: 256

推荐的任务队列大小为2500,线程数为256,有点出乎意料之外。我可以如下构造一个线程池:

1 ThreadPoolExecutor pool =

2 new ThreadPoolExecutor(256, 256, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, newLinkedBlockingQueue(2500));
文章转自 并发编程网-ifeve.com
目录
相关文章
|
Java 调度
如何合理地估算线程池大小
如何合理地估算线程池大小
如何合理地估算线程池大小
|
NoSQL Java 应用服务中间件
如何合理地估算线程池大小?
如何合理地估算线程池大小?
如何合理地估算线程池大小?
|
16天前
|
存储 Java 数据库连接
java多线程之线程通信
java多线程之线程通信
|
28天前
|
存储 缓存 NoSQL
Redis单线程已经很快了6.0引入多线程
Redis单线程已经很快了6.0引入多线程
31 3
|
30天前
|
消息中间件 安全 Linux
线程同步与IPC:单进程多线程环境下的选择与权衡
线程同步与IPC:单进程多线程环境下的选择与权衡
58 0
|
1月前
|
Java 调度 C#
C#学习系列相关之多线程(一)----常用多线程方法总结
C#学习系列相关之多线程(一)----常用多线程方法总结
|
1月前
|
安全 编译器 C#
C#学习相关系列之多线程---lock线程锁的用法
C#学习相关系列之多线程---lock线程锁的用法
|
1月前
|
Java C#
C#学习系列相关之多线程(五)----线程池ThreadPool用法
C#学习系列相关之多线程(五)----线程池ThreadPool用法
|
1月前
|
存储 安全 Java
深入理解 Java 多线程、Lambda 表达式及线程安全最佳实践
线程使程序能够通过同时执行多个任务而更有效地运行。 线程可用于在不中断主程序的情况下在后台执行复杂的任务。 创建线程 有两种创建线程的方式。 扩展Thread类 可以通过扩展Thread类并覆盖其run()方法来创建线程:
110 1
深入理解 Java 多线程、Lambda 表达式及线程安全最佳实践
|
1月前
|
数据采集 存储 Java
「多线程大杀器」Python并发编程利器:ThreadPoolExecutor,让你一次性轻松开启多个线程,秒杀大量任务!
「多线程大杀器」Python并发编程利器:ThreadPoolExecutor,让你一次性轻松开启多个线程,秒杀大量任务!