首页 > 其他分享 >轻松解析高频面试题: 线程设置数量多少合适?带你面试乱杀

轻松解析高频面试题: 线程设置数量多少合适?带你面试乱杀

时间:2024-08-14 23:23:31浏览次数:12  
标签:面试题 执行 核心 利用率 12 线程 高频 CPU

目录

一、前言

二、线程数和CPU利用率的小测试

三、插入io操作

四、线程数和CPU利用率总结

五、线程数规划的公式

 六、真实程序中的线程数


一、前言

相信很多小伙伴在刷面试题的时候都看到过一个线程数设置的理论:

  1. CPU 密集型的程序 - 核心数 + 1
  2. I/O 密集型的程序 - 核心数 * 2

不会吧,不会吧,真的有人按照这个理论规划线程数?如果在面试的时候你真这样回答面试官的话,那么我只能说这道题在面试官心中你就是一个小白!那么

二、线程数和CPU利用率的小测试

下面都采用大白话讲述,抛开操作系统,计算机原理不谈,不纠结是否严谨,只为好理解:

一个CPU核心,单位时间内只能执行一个线程的指令,那么理论上,我一个线程只需要不停的执行指令,就可以跑满一个核心的利用率。那我们来写个死循环空跑的例子验证一下:

测试环境:AMD Ryzen 5 3600, 6 - Core, 12 - Threads

public class CPUUtilizationTest{
 public static void main(String[] args){
 //无限循环
 while(true){
 }
 }}

运行这个例子后,来看看现在CPU的利用率: 

可以看出,3号核心利用率已经被跑满,那基于上面的理论,多开几个线程试试呢?

public class CPUUtilizationTest{
 public static void main(String[] args){
 for(int j =0; j <6; j++){
 new Thread(newRunnable(){
 @Override
 public void run(){
 while(true){ }}})
.start();}
 }}

此时再看CPU利用率,1/2/5/7/9/11 几个核心的利用率已经被跑满:

那如果开12个线程呢,是不是会把所有核心的利用率都跑满?答案一定是会的:

如果此时我把上面例子的线程数继续增加到24个线程,会出现什么结果呢?

从上图可以看到,CPU利用率和上一步一样,还是所有核心100%,不过此时cpu负载已经翻倍,说明此时CPU更繁忙,线程的任务无法及时执行。

现代CPU基本都是多核心的,这里测试用的AMD 3600,6核心12线程(超线程),我们可以简单的认为它就是12核心CPU。那么我这个CPU就可以同时做12件事,互不打扰。

如果要执行的线程大于核心数,那么就需要通过操作系统的调度了。操作系统给每个线程分配CPU时间片资源,然后不停的切换,从而实现“并行”执行的效果。

但是这样真的更快吗?从上面的例子可以看出,一个线程就可以把一个核心的利用率跑满。如果每个线程都很“霸道”,不停的执行指令,不给CPU空闲的时间,并且同时执行的线程数大于CPU的核心数,就会导致操作系统更频繁的执行切换线程执行,以确保每个线程都可以得到执行。

不过切换是有代价的,每次切换会伴随着寄存器数据更新,内存页表更新等操作。虽然一次切换的代价和I/O操作比起来微不足道,但如果线程过多,线程切换的过于频繁,甚至在单位时间内切换的耗时已经大于程序执行的时间,就会导致CPU资源过多的浪费在上下文切换上,而不是在执行程序,得不偿失。

三、插入io操作

大多程序在运行时都会有一些 I/O操作,可能是读写文件,网络收发报文等,这些 I/O 操作在进行时时需要等待反馈的。比如网络读写时,需要等待报文发送或者接收到,在这个等待过程中,线程是等待状态,CPU没有工作。此时操作系统就会调度CPU去执行其他线程的指令,这样就完美利用了CPU这段空闲期,提高了CPU的利用率。

上面的例子中,程序不停的循环什么都不做,CPU要不停的执行指令,几乎没有啥空闲的时间。如果插入一段I/O操作呢,I/O 操作期间 CPU是空闲状态,CPU的利用率会怎么样呢?先看看单线程下的结果:

public class CPUUtilizationTest{
 public static void main(String[] args)throws InterruptedException{
 for(int n =0; n <1; n++){
 new Thread(newRunnable(){
 @Override
 public void run(){
 while(true){
 //每次空循环 1亿 次后,sleep 50ms,模拟 I/O等待、切换
 for(int i =0; i <100_000_000l; i++){ 
 }
 try{
 Thread.sleep(50);
 }
 catch(InterruptedException e){
 e.printStackTrace();}}}}).start();
 }
 }}

哇,唯一有利用率的9号核心,利用率也才50%,和前面没有sleep的100%相比,已经低了一半了。现在把线程数调整到12个看看: 

单个核心的利用率60左右,和刚才的单线程结果差距不大,还没有把CPU利用率跑满,现在将线程数增加到18: 

此时单核心利用率,已经接近100%了。由此可见,当线程中有 I/O 等操作不占用CPU资源时,操作系统可以调度CPU可以同时执行更多的线程。

四、线程数和CPU利用率总结

上面的例子,只是辅助,为了更好的理解线程数/程序行为/CPU状态的关系,来简单总结一下:

  1. 一个极端的线程(不停执行“计算”型操作时),就可以把单个核心的利用率跑满,多核心CPU最多只能同时执行等于核心数的“极端”线程数
  2. 如果每个线程都这么“极端”,且同时执行的线程数超过核心数,会导致不必要的切换,造成负载过高,只会让执行更慢
  3. I/O 等暂停类操作时,CPU处于空闲状态,操作系统调度CPU执行其他线程,可以提高CPU利用率,同时执行更多的线程
  4. I/O 事件的频率频率越高,或者等待/暂停时间越长,CPU的空闲时间也就更长,利用率越低,操作系统可以调度CPU执行更多的线程

五、线程数规划的公式

前面的铺垫,都是为了帮助理解,现在来看看书本上的定义。《Java 并发编程实战》介绍了一个线程数计算的公式:

如果希望程序跑到CPU的目标利用率,需要的线程数公式为:

公式很清晰,现在来带入上面的例子试试看:

如果我期望目标利用率为90%(多核90),那么需要的线程数为:

核心数12 * 利用率0.9 * (1 + 50(sleep时间)/50(循环50_000_000耗时)) ≈ 22

现在把线程数调到22,看看结果:

现在CPU利用率大概80+,和预期比较接近了,由于线程数过多,还有些上下文切换的开销,再加上测试用例不够严谨,所以实际利用率低一些也正常。

把公式变个形,还可以通过线程数来计算CPU利用率:

线程数22 / (核心数12 * (1 + 50(sleep时间)/50(循环50_000_000耗时))) ≈ 0.9

虽然公式很好,但在真实的程序中,一般很难获得准确的等待时间和计算时间,因为程序很复杂,不只是“计算”。一段代码中会有很多的内存读写,计算,I/O 等复合操作,精确的获取这两个指标很难,所以光靠公式计算线程数过于理想化。

 六、真实程序中的线程数

那么在实际的程序中,或者说一些Java的业务系统中,线程数(线程池大小)规划多少合适呢?

先说结论:没有固定答案,先设定预期,比如我期望的CPU利用率在多少,负载在多少,GC频率多少之类的指标后,再通过测试不断的调整到一个合理的线程数,压力测试下的数据肯定是最准确的

比如一个普通的,SpringBoot 为基础的业务系统,默认Tomcat容器+HikariCP连接池+G1回收器,如果此时项目中也需要一个业务场景的多线程(或者线程池)来异步/并行执行业务流程。

此时我按照上面的公式来规划线程数的话,误差一定会很大。因为此时这台主机上,已经有很多运行中的线程了,Tomcat有自己的线程池,HikariCP也有自己的后台线程,JVM也有一些编译的线程,连G1都有自己的后台线程。这些线程也是运行在当前进程、当前主机上的,也会占用CPU的资源。

所以受环境干扰下,单靠公式很难准确的规划线程数,一定要通过测试来验证。

流程一般是这样:

  1. 分析当前主机上,有没有其他进程干扰
  2. 分析当前JVM进程上,有没有其他运行中或可能运行的线程
  3. 设定目标
  4. 目标CPU利用率 - 我最高能容忍我的CPU飙到多少?
  5. 目标GC频率/暂停时间 - 多线程执行后,GC频率会增高,最大能容忍到什么频率,每次暂停时间多少?
  6. 执行效率 - 比如批处理时,我单位时间内要开多少线程才能及时处理完毕
  7. ……
  8. 梳理链路关键点,是否有卡脖子的点,因为如果线程数过多,链路上某些节点资源有限可能会导致大量的线程在等待资源(比如三方接口限流,连接池数量有限,中间件压力过大无法支撑等)
  9. 不断的增加/减少线程数来测试,按最高的要求去测试,最终获得一个“满足要求”的线程数**

而且而且而且!不同场景下的线程数理念也有所不同:

  1. Tomcat中的maxThreads,在Blocking I/O和No-Blocking I/O下就不一样
  2. Dubbo 默认还是单连接呢,也有I/O线程(池)和业务线程(池)的区分,I/O线程一般不是瓶颈,所以不必太多,但业务线程很容易称为瓶颈
  3. Redis 6.0以后也是多线程了,不过它只是I/O 多线程,“业务”处理还是单线程

所以,不要纠结设置多少线程了。没有标准答案,一定要结合场景,带着目标,通过测试去找到一个最合适的线程数。

可能还有同学可能会有疑问:“我们系统也没啥压力,不需要那么合适的线程数,只是一个简单的异步场景,不影响系统其他功能就可以”

很正常,很多的内部业务系统,并不需要啥性能,稳定好用符合需求就可以了。那么我的推荐的线程数是:CPU核心数

标签:面试题,执行,核心,利用率,12,线程,高频,CPU
From: https://blog.csdn.net/indexqian/article/details/141201615

相关文章

  • 低、中、高频率段具体在不同应用中的范围是多少
    1、低频率段(Low FrequencyRange)①建筑声学和噪声控制:通常将20Hz到200Hz的频率范围视为低频段。在这一范围内,声音的波长较长,通常与低音(如重低音音乐)和建筑结构中的振动有关。②音乐声学:在音乐中,低频段通常指20Hz到250Hz的范围,这涵盖了音乐中的低音部分,比如低音提......
  • 进程线程(3)
    线程的概念        线程是存在于进程空间中的,使用进程的资源。创建和调度时空开销都比进程小。进程是资源分配的基本单位。重量级进程。进程空间独立,不能直接通信。线程是系统调度的最小单位。轻量级进程。一般是一个进程中的多个任务。线程可以共享空间,可以直接通信......
  • coca 现在完成进行时 高频动词
    List Chart  Word Browse Collocates A/B KWIC - beenVVG  [POS]?Findmatchingstrings Reset Help  Sections Virtual Sort/Limit Options   HELP SEEFULLLIST  [?]FREQTOTAL277,612UNIQUE1,983   +1......
  • 探索Delphi的多线程世界:线程与进程的奥秘
    探索Delphi的多线程世界:线程与进程的奥秘在现代软件开发中,多线程和多进程是提高应用性能和响应能力的关键技术。Delphi,作为历史悠久的编程语言,提供了丰富的多线程支持。本文将深入探讨Delphi中的线程与进程的区别,并提供实际代码示例,帮助读者理解这两种并发执行方式的内在机......
  • QT多线程
    当处理复杂的数据时,此时耗时间,需要多任务处理就需要用到线程了qt中使用线程的方法,自定义一个类继承QThreadQThread类中有个虚函数 voidrun()才是线程中的处理函数我们需要重写该函数但启动线程不能直接调用run函数,需要通过线程类的start()函数来间接调用run函数......
  • 程序员面试题---------精细讲解DP协议编写网络程序以实现一个简单的加群和离群操作
    基于UDP协议编写网络程序以实现一个简单的加群和离群操作:假定:群组地址(224.0.2.100)服务器端地址为(192.168.14.44,具体根据主机指定)要求:1.加群的成员(客户端)加入一个群组后向管理者(服务器,地址公开)单播发送,“已加群”的消息,2.管理者(服务器每收到一个成员的加......
  • Java面试题(Java Web)
    目录1.JSP有哪些内置对象?作用分别是什么?2.说一下JSP的4种作用域?3.session和cookie有什么区别?4.说一下session的工作原理?5.如果客户端禁止cookie能实现session还能用吗?6.如何避免SQL注入?7.什么是XSS攻击,如何避免?8.什么是CSRF攻击,如何避免?......
  • Java面试题(异常)
    目录1.throw和throws的区别?2.final、finally、finalize有什么区别?3.try-catch-finally中哪个部分可以省略?4.try-catch-finally中,如果catch中return了,finally还会执行吗?5.常见的异常类有哪些?1.throw和throws的区别?throw:是真实抛出一个异常。thr......
  • Java面试题(网络)
    1.forward和redirect的区别?forward是转发和redirect是重定向:地址栏url显示:fowardurl不会发生改变,redirecturl会发生改变;数据共享:      forward可以共享request里的数据,redirect不能共享;效       率:      forw......
  • 终止线程 中断标志 vs Interrupt() vs stop()
    退出标志importlombok.SneakyThrows;importjava.text.SimpleDateFormat;publicclassT{staticbooleanflag=true;@SneakyThrowspublicstaticvoidmain(String[]args){Threadthread1=newThread(()->{try{......