如何估算 Java 线程池的大小与队列长度

估算算法

第一种估算算法

先来一个天真的估算算法：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。那么问题可以转化为：如何设计线程池大小，使得可以在 1s 内处理完 20 个 Transaction？这里计算过程可以很简单，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。

很显然这个估算算法很天真，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。

第二种估算算法

第二种估算算法比较简单，但不知是否可行（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。

第三种估算算法

第三种方法是在服务器性能 IO 优化中发现的一个估算公式：

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。这个公式可以进一步转化为：

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

这里可以得出一个结论（第二种估算算法也可以和这个结论相结合）：

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

估算算法总结

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、磁盘 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（如下），加速比越大，表明系统并行化的优化效果越好：

加速比 = 优化前系统耗时 / 优化后系统耗时

Addahl 定律还给出了系统并行度、CPU 数目和加速比的关系（如下），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：

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。

问答

使用线程池后，是不是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 速度快的本质原因在于：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。

所以即使有上面的估算算法，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。

估算代码

为了方便估算 Java 线程池的大小与队列长度，可以使用下述的两个 Java 类进行多次测试，这样可以得出最终的估算结果。

PoolSizeCalculator 类

package threadpool;

import java.math.BigDecimal;
import java.math.RoundingMode;
import java.util.Timer;
import java.util.TimerTask;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

/**
 * A class that calculates the optimal thread pool boundaries. It takes the
 * desired target utilization and the desired work queue memory consumption as
 * input and retuns thread count and work queue capacity.
 *
 * @author Niklas Schlimm
 */
public abstract class PoolSizeCalculator {

    /**
     * The sample queue size to calculate the size of a single {@link Runnable}
     * element.
     */
    private static final int SAMPLE_QUEUE_SIZE = 1000;

    /**
     * Accuracy of test run. It must finish within 20ms of the testTime
     * otherwise we retry the test. This could be configurable.
     */
    private static final int EPSYLON = 20;

    /**
     * Control variable for the CPU time investigation.
     */
    private volatile boolean expired;

    /**
     * Time (millis) of the test run in the CPU time calculation.
     */
    private final long elapsed = 3000;

    /**
     * Calculates the boundaries of a thread pool for a given {@link Runnable}.
     *
     * @param targetUtilization the desired utilization of the CPUs (0 <= targetUtilization <= 1)
     * @param targetQueueSizeBytes the desired maximum work queue size of the thread pool (bytes)
     */
    void calculateBoundaries(BigDecimal targetUtilization, BigDecimal targetQueueSizeBytes) {
        calculateOptimalCapacity(targetQueueSizeBytes);
        Runnable task = createTask();
        start(task);
        start(task); // warm up phase
        long cputime = getCurrentThreadCPUTime();
        start(task); // test interval
        cputime = getCurrentThreadCPUTime() - cputime;
        long waitTime = (elapsed * 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 " + createTask().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 computeTime = new BigDecimal(cpu);
        BigDecimal waitTime = new BigDecimal(wait);
        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): " + (elapsed * 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 #elapsed}.
     * * 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 > 10) {
                throw new IllegalStateException("Test not accurate");
            }
            expired = false;
            start = System.currentTimeMillis();
            Timer timer = new Timer();
            timer.schedule(new TimerTask() {
                public void run() {
                    expired = true;
                }
            }, elapsed);
            while (!expired) {
                task.run();
            }
            start = System.currentTimeMillis() - start;
            timer.cancel();
        } while (Math.abs(start - elapsed) > EPSYLON);
        collectGarbage(3);
    }

    private void collectGarbage(int times) {
        for (int i = 0; i < times; i++) {
            System.gc();
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt();
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * Calculates the memory usage of a single element in a work queue. Based on
     * Heinz Kabbutz' ideas
     * (http://www.javaspecialists.eu/archive/Issue029.html).
     *
     * @return memory usage of a single {@link Runnable} element in the thread
     * pools work queue
     */
    private long calculateMemoryUsage() {
        BlockingQueue<Runnable> queue = createWorkQueue(SAMPLE_QUEUE_SIZE);
        for (int i = 0; i < SAMPLE_QUEUE_SIZE; i++) {
            queue.add(createTask());
        }
        long mem0 = Runtime.getRuntime().totalMemory() -
                Runtime.getRuntime().freeMemory();
        long mem1 = Runtime.getRuntime().totalMemory() -
                Runtime.getRuntime().freeMemory();
        queue = null;
        collectGarbage(15);
        mem0 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
                - Runtime.getRuntime().freeMemory();
        queue = createWorkQueue(SAMPLE_QUEUE_SIZE);
        for (int i = 0; i < SAMPLE_QUEUE_SIZE; i++) {
            queue.add(createTask());
        }
        collectGarbage(15);
        mem1 = Runtime.getRuntime().totalMemory()
                - Runtime.getRuntime().freeMemory();
        return (mem1 - mem0) / SAMPLE_QUEUE_SIZE;
    }

    /**
     * Create your runnable task here.
     *
     * @return an instance of your runnable task under investigation
     */
    protected abstract Runnable createTask();

    /**
     * Return an instance of the queue used in the thread pool.
     *
     * @return queue instance
     */
    protected abstract BlockingQueue<Runnable> createWorkQueue(int capacity);

    /**
     * Calculate current cpu time. Various frameworks may be used here,
     * depending on the operating system in use. (e.g.
     * http://www.hyperic.com/products/sigar). The more accurate the CPU time
     * measurement, the more accurate the results for thread count boundaries.
     *
     * @return current cpu time of current thread
     */
    protected abstract long getCurrentThreadCPUTime();

}

SimplePoolSizeCaculator 类

package threadpool;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.math.BigDecimal;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class SimplePoolSizeCaculator extends PoolSizeCalculator {

    @Override
    protected Runnable createTask() {
        return new AsyncIOTask();
    }

    @Override
    protected BlockingQueue<Runnable> createWorkQueue(int capacity) {
        return new LinkedBlockingQueue<Runnable>(capacity);
    }

    @Override
    protected long getCurrentThreadCPUTime() {
        //the total CPU time for the current thread in nanoseconds
        return ManagementFactory.getThreadMXBean().getCurrentThreadCpuTime();
    }

    public static void main(String[] args) {
        PoolSizeCalculator poolSizeCalculator = new SimplePoolSizeCaculator();
        poolSizeCalculator.calculateBoundaries(new BigDecimal(1.0), new BigDecimal(100000));
    }

}

/**
 * 自定义的异步IO任务
 * @author Will
 *
 */
class AsyncIOTask implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        HttpURLConnection connection = null;
        BufferedReader reader = null;
        try {
            URL url = new URL("http://baidu.com");

            connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            connection.connect();
            reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(
                    connection.getInputStream()));

            String line;
            StringBuilder stringBuilder;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                stringBuilder = new StringBuilder();
                stringBuilder.append(line);
            }
        }

        catch (IOException e) {

        } finally {
            if(reader != null) {
                try {
                    reader.close();
                }
                catch(Exception e) {

                }
            }
            if (connection != null)
            connection.disconnect();
        }

    }

}

源码剖析

PoolSizeCalculator 类

• calculateBoundaries()：计算线程池大小和队列长度，接收两个方法参数，分别是 CPU 负载和队列总内存的大小（bytes）

• calculateMemoryUsage()：计算单个任务的内存大小，计算方法如下：

1. 手动 GC
2. 计算可用内存大小 m0
3. 创建一个队列，并往里面放 1000 个任务
4. 再次 GC
5. 计算可用内存大小 m1
6. (m1 - m0) / 1000 即每个任务的大小

• calculateOptimalCapacity()：计算队列长度
  • 计算公式：队列总内存 / 单个任务的内存
  • 接收一个参数，即队列总内存的大小

• calculateOptimalThreadCount()：计算线程池大小

  • 计算公式：CPU 核数 *（1 + 线程等待时间 / 线程 CPU 时间）

• collectGarbage()：循环手动执行 GC 操作

• start()：计算执行 3 秒的任务所消耗 CPU 的实际使用时间

SimplePoolSizeCaculator 类

• SimplePoolSizeCaculator 类：PoolSizeCalculator 抽象类的一个实现，用于计算 CPU 负载 ，包括队列总内存的大小为 100k 左右的 IO 密集型的线程池大小和队列长度

• AsyncIOTask 类：IO 密集型应用的一个简单例子

估算代码的运行结果

Target queue memory usage (bytes): 100000
createTask () produced threadpool.AsyncIOTask which took 40 bytes in a queue
Formula: 100000 / 40
* Recommended queue capacity (bytes): 2500
Number of CPU: 4
Target utilization: 1
Elapsed time (nanos): 3000000000
Compute time (nanos): 125000000
Wait time (nanos): 2875000000
Formula: 4 * 1 * (1 + 2875000000 / 125000000)
* Optimal thread count: 96

如果不修改队列内存大小和任务，队列长度可能都是 2500

参考资料

• 合理估算 Java 的线程池大小与队列长度