【线程池】--- 线程池的设计

IO型线程池和CPU型线程池 IO型线程池:适合处理I/O密集型任务,配置较多的线程来应对高并发I/O操作。CPU型线程池:适合处理计算密集型任务,配置的线程数接近CPU核心数,以充分利用CPU资源。选择合适的线程池配置可以显著提高系统性能和响应速度,在实际项目中需要根据任务特性进行合理选择。 阅读详情

CPU密集型(CPU-bound)


CPU密集型也叫计算密集型,指的是系统的硬盘、内存性能相对CPU要好很多,此时,系统运作大部分的状况是CPU Loading 100%,CPU要读/写I/O(硬盘/内存),I/O在很短的时间就可以完成,而CPU还有许多运算要处理,CPU Loading很高。

在多重程序系统中,大部份时间用来做计算、逻辑判断等CPU动作的程序称之CPU bound。例如一个计算圆周率至小数点一千位以下的程序,在执行的过程当中绝大部份时间用在三角函数和开根号的计算,便是属于CPU bound的程序。

CPU bound的程序一般而言CPU占用率相当高。这可能是因为任务本身不太需要访问I/O设备,也可能是因为程序是多线程实现因此屏蔽掉了等待I/O的时间。

IO密集型(I/O bound)


IO密集型指的是系统的CPU性能相对硬盘、内存要好很多,此时,系统运作,大部分的状况是CPU在等I/O (硬盘/内存) 的读/写操作,此时CPU Loading并不高。

I/O bound的程序一般在达到性能极限时,CPU占用率仍然较低。这可能是因为任务本身需要大量I/O操作,而pipeline做得不是很好,没有充分利用处理器能力。

CPU密集型 vs IO密集型


我们可以把任务分为计算密集型和IO密集型。

计算密集型任务的特点是要进行大量的计算,消耗CPU资源,比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等,全靠CPU的运算能力。这种计算密集型任务虽然也可以用多任务完成,但是任务越多,花在任务切换的时间就越多,CPU执行任务的效率就越低,所以,要最高效地利用CPU,计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。

计算密集型任务由于主要消耗CPU资源,因此,代码运行效率至关重要。Python这样的脚本语言运行效率很低,完全不适合计算密集型任务。对于计算密集型任务,最好用C语言编写。

第二种任务的类型是IO密集型,涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务,这类任务的特点是CPU消耗很少,任务的大部分时间都在等待IO操作完成(因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度)。对于IO密集型任务,任务越多,CPU效率越高,但也有一个限度。常见的大部分任务都是IO密集型任务,比如Web应用。

IO密集型任务执行期间,99%的时间都花在IO上,花在CPU上的时间很少,因此,用运行速度极快的C语言替换用Python这样运行速度极低的脚本语言,完全无法提升运行效率。对于IO密集型任务,最合适的语言就是开发效率最高(代码量最少)的语言,脚本语言是首选,C语言最差。

总之,计算密集型程序适合C语言多线程,I/O密集型适合脚本语言开发的多线程。


1.估算线程池最优大小:

为了保持处理器达到期望的使用率,最优的线程池大小等于: Nthreads = Ncpu * Ucpu * (1+ W/C);

 

Ncpu【CPU的数量】可以通过代码查看

public class TestProcessor{

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors() );
    }

}

//在Linux系统中,可以先vim写TestProcessor.java文件
//然后通过javac TestProcessor.java   ==>  TestProcessor.class
//最后通过  java TestProcessor运行

或者通过命令

# 总核数 = 物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数 
# 总逻辑CPU数 = 物理CPU个数 X 每颗物理CPU的核数 X 超线程数

# 查看物理CPU个数
cat /proc/cpuinfo| grep "physical id"| sort| uniq| wc -l

# 查看每个物理CPU中core的个数(即核数)
cat /proc/cpuinfo| grep "cpu cores"| uniq

# 查看逻辑CPU的个数
cat /proc/cpuinfo| grep "processor"| wc -l

Ucpu【目标CPU的使用率】, 0 <= Ucpu <= 1;

可以使用top命令查看

这个命令很常用,在第三行有显示CPU当前的使用情况。

[root@li676-235 ~]# top -bn 1 -i -c
top - 14:19:51 up 138 days, 7:15, 1 user, load average: 0.20, 0.33, 0.39
Tasks: 115 total, 1 running, 114 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
Cpu(s): 4.5%us, 3.8%sy, 0.0%ni, 91.0%id, 0.6%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Mem: 1014660k total, 880512k used, 134148k free, 264904k buffers
Swap: 262140k total, 34788k used, 227352k free, 217144k cached
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 
12760 root 20 0 15084 1944 1632 R 2.0 0.2 0:00.01 top -bn 1 -i -c
root@li676-235 ~]# top -bn 1 -i -c
top - 14:19:51 up 138 days, 7:15, 1 user, load average: 0.20, 0.33, 0.39
Tasks: 115 total, 1 running, 114 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
Cpu(s): 4.5%us, 3.8%sy, 0.0%ni, 91.0%id, 0.6%wa, 0.0%hi, 0.0%si, 0.0%st
Mem: 1014660k total, 880512k used, 134148k free, 264904k buffers
Swap: 262140k total, 34788k used, 227352k free, 217144k cached
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND 
12760 root 20 0 15084 1944 1632 R 2.0 0.2 0:00.01 top -bn 1 -i -c


如上所示,top命令可以看到总体的系统运行状态和cpu的使用率 。

%us:表示用户空间程序的cpu使用率(没有通过nice调度)

%sy:表示系统空间的cpu使用率,主要是内核程序。

%ni:表示用户空间且通过nice调度过的程序的cpu使用率。

%id:空闲cpu

%wa:cpu运行时在等待io的时间

%hi:cpu处理硬中断的数量

%si:cpu处理软中断的数量

%st:被虚拟机偷走的cpu

W/C = 等待时间与计算时间的比率;

IO密集型:一般情况下,如果存在IO,那么肯定w/c>1(阻塞耗时一般都是计算耗时的很多倍),但是需要考虑系统内存有限(每开启一个线程都需要内存空间),这里需要上服务器测试具体多少个线程数适合(CPU占比、线程数、总耗时、内存消耗)。如果不想去测试,保守点取1即,Nthreads=Ncpu*(1+1)=2Ncpu。这样设置一般都OK。

计算密集型:假设没有等待w=0,则W/C=0. Nthreads=Ncpu。

至此结论就是:

IO密集型=2Ncpu(可以测试后自己控制大小,2Ncpu一般没问题)(常出现于线程中:数据库数据交互、文件上传下载、网络数据传输等等)

计算密集型=Ncpu(常出现于线程中:复杂算法)

 

 

比较标准的答案是: 一般说来,大家认为线程池的大小经验值应该这样设置:(其中N为CPU的个数)


1. 如果是CPU密集型应用,则线程池大小设置为N+1
2 .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。
但是,IO优化中,这样的估算公式可能更适合:
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
因为很显然,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。
下面举个例子:
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:
最佳线程数目 = (线程等待时间与线程CPU时间之比 + 1)* CPU数目,即Nthreads = Ncpu * Ucpu * (1+ W/C);

可以使用大神的代码计算:https://github.com/sunshanpeng/dark_magic

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