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java多线程的深入理解以及原理解读

8月 14, 2021 java

一. 为什么需要多线程

这个问题是给基础不扎实的人提的;
原因一首先提一下QPS计算公式(并发数/响应时间(s)),使用多线程就是提升并发数,换句话说就是为了提升QPS;那么多线程越多是不是QPS就越高性能就越好呢?当然不是,分子虽然提高了,但是分母也增大了;多线程的使用会在CPU上开辟一个时间片,会增加上下文切换的耗时;因此多线程也不是越多越好
原因二大部分项目当中如果使用单线程,那么从一个请求进来到响应,只有协议解析和响应后数据处理占用了CPU(先不考虑计算型服务),那么请求发送到服务后,CPU一直处于闲置状态,等待IO/磁盘处理结束;引入多线程后,当程序处理IO时可以要CPU处理其他的事情,等到当前线程需要CPU时再切换回来处理;因此多线程能充分利用CPU来提升性能;这里细心的朋友应该还发现了多线程的一个特点,多线程并不是真正的并发一起执行,而是不同时间片来回切换来执行不同任务,只是cpu处理的效率很快,给人的感觉是同时在执行

二. 如果使用线程池,线程池的线程数怎么设置

关于线程池线程数的设置应该很多地方都有介绍,我相信大家只是看了个结果,不知道原理;我这里就详细介绍一下.
首先提几个关键词,cpu核数、IO密集型服务、计算型密集型服务、阻塞系数=阻塞时间/(阻塞时间+计算时间);

阻塞这里是针对IO来说的,所以阻塞时间就是IO耗时;计算时间级CPU耗时;
然后我再举一个例子,假如一个服务中,阻塞时间50毫秒,计算时间10毫秒,即cpu有50毫秒的时间处于闲置;是不是在这期间cpu可以处理5个这样的请求;再加上第一个请求总共就是处理6个请求。

那么我再提出公式
线程数= ncpu/(1-阻塞系数)
然后把上面的50、10带入进去计算,如果是单核是不是就是6,那么四核就可以设置大概24个线程
上面公式也可以等效成:线程数=ncpu*(1+阻塞时间/计算时间);

看到这里大家应该看懂了怎么计算线程数,可能会提出疑问,为什么网上看到的计算型密集服务的线程数公式=ncpu+1(大家先忽略公式)比IO型服务的设置的线程数要偏少很多呢;那是因为之所以叫计算型服务是因为服务本身大部分都是在计算,而计算是影响CPU的时间,所以一个服务进来几乎都是计算(CPU)耗时,那么大家根据这个特性把上面的阻塞时间改成0,计算时间改成50,带入第一个公式,求出来的话1核就是一个线程数,ncpu+1又是什么道理呢?为什么要+1?带入现实情况中考虑,计算型的服务不可能全部是计算,总会有一部分IO耗时,这个是毋庸置疑的,然后把参数在改一下,IO耗时10,计算耗时50,那么这就对应的上了;所以线程数= ncpu/(1-阻塞系数)这个公式是通用的;同时也得出另一个结论,阻塞系数越大,线程数设置的可以越多,反则设置越少

三. CPU的利用率是怎么计算的,怎么防止CPU过高导致程序奔溃

CPU的使用率=CPU计算时间/CPU计算时间+CPU闲置时间;因此如果CPU计算时间100毫米,闲置时间900毫米,那么利用率就是10%,如果计算时间500毫米,闲置时间0毫米,那么利用率就是100%(系统是统计单位时间内的值);所以随着CPU的不断计算,CPU率也是不断变化的。
CPU过高的话,首先要定位是什么导致的,盲目开辟新的线程,还是程序计算过于复杂,还是不巧当的循环或者死循环;盲目开线程可以用线程池解决,后面这两种就是优化程序了,如果无法优化了,可以使用sleep(0)、sleep(1)这种来解决;可能有人会问sleep(0)这有什么意义,他能优化CPU?当然可以,他虽然是让cpu休眠0毫秒,但是还有一个作用就是会触发cpu时间片的竞争(重新选举),所以就不会出现一个时间片独占整个cpu,导致cpu瞬间飙高;
既然说到这了我就再提一个问题,sleep() 和yield()有什么区别?

  1. 执行sleep()后触发所有时间片一起选举,每个时间片都可能拿到下一次运行权,yield()指挥把执行权交给优先级相同或者更高的
  2. 线程执行 sleep() 进入阻塞状态,执行yield() 方法进入就绪状态
  3. sleep() 声明抛出 InterruptedException;yield() 方法没有声明抛出异常
  4. sleep() 有时间阻塞时间参数;yield() 无参数(直接让出 CPU 的执行权时间由 JVM 控制)

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作者 Alan

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