在 Java 領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)并發(fā)程序的主要手段就是多線程，使用多線程還是比較簡(jiǎn)單的，但是使用多個(gè)線程卻是個(gè)困難的問(wèn)題，工作中，經(jīng)常有人問(wèn)，“各種線程池的線程數(shù)量調(diào)整成多少是合適的？”或者“Tomcat 的線程數(shù)、Jdbc 連接池的連接數(shù)是多少？”等等。那我們應(yīng)該如何設(shè)置合適的線程數(shù)呢？
要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要分析以下兩個(gè)問(wèn)題：
1、為什么要使用多線程
2、多線程的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些
為什么要使用多線程？
使用多線程，本質(zhì)上就是提升程序性能。不過(guò)此刻談到性能，可能在你腦海中比較籠統(tǒng)，基本上就是 快、快、快，這種無(wú)法度量的感性認(rèn)識(shí)很不科學(xué)。所以在提升性能之前 的首要問(wèn)題是：如何度量性能。
度量性能的指標(biāo)有很多，但是有兩個(gè)指標(biāo)是最核心的，他們就是延遲量和吞吐量。延遲指的是發(fā)出請(qǐng)求到收到響應(yīng)的時(shí)間；延遲越短，意味著程序執(zhí)行的越快，性能也就越好。吞吐量指的是單位時(shí)間內(nèi)能處理請(qǐng)求的數(shù)量；吞吐量越大，意味著程序能處理的請(qǐng)求越多，性能也就越好。這兩個(gè)指標(biāo)內(nèi)有一定的聯(lián)系（同等條件下，延遲越短，吞吐量越大），但是由于他們隸屬于不同的維度（一個(gè)時(shí)間維度，一個(gè)空間維度），并不能相互轉(zhuǎn)換。
我們所謂提升性能，從度量的角度，主要是降低延遲，提高吞吐量。這也是我們使用多線程的主要目的。那我們?cè)撛趺唇档脱舆t，提高吞吐量呢？這個(gè)就要從多線程的應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)起了。
多線程的應(yīng)用場(chǎng)景
要想“降低延遲，提高吞吐量”，對(duì)應(yīng)的方法呢，基本上有兩個(gè)方向， 一個(gè)方向是優(yōu)化算法，兩一個(gè)方向是將硬件的性能發(fā)揮到極致。前者屬于算法范疇，后者則是和并發(fā)編程息息相關(guān)了。那計(jì)算機(jī)主要有哪些硬件了呢？主要是兩類(lèi)：一個(gè)是I/O，一個(gè)是 CPU。 簡(jiǎn)言之，在并發(fā)編程領(lǐng)域，提升性能本質(zhì)上就是提升硬件的利用率，再具體來(lái)說(shuō)，就是提升I/O 的利用率和 CPU 的利用率。
估計(jì)這個(gè)詞你會(huì)有疑問(wèn)，操作系統(tǒng)不是已經(jīng)解決了硬件的利用率問(wèn)題了嘛？的卻是這樣，例如操作系統(tǒng)已經(jīng)解決了磁盤(pán)和網(wǎng)卡利用率問(wèn)題，利用中斷機(jī)制還能避免CPU 輪詢(xún)，I/O 狀態(tài)，也提升了 CPU 的利用率。 但是操作系統(tǒng)解決硬件利用率問(wèn)題的對(duì)象往往是單一的硬件設(shè)備，而我們的并發(fā)程序，往往需要CPU 和 I/O 設(shè)備相互配合工作， 也就是說(shuō)，我們需要解決CPU 和 I/O 設(shè)備綜合利用率的問(wèn)題。
關(guān)于這個(gè)綜合利用率，操作系統(tǒng)雖然沒(méi)有辦法完美解決，但是卻給我們提供了解決方案。：多線程
下面我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的示例：如何利用多線程來(lái)提升 CPU 和 I/O 設(shè)備的利用率？ 假設(shè)程序按照 CPU 計(jì)算和 I/O 操作交叉執(zhí)行的方式運(yùn)行，而且 CPU 計(jì)算和 I/O 操作的耗時(shí)是 1:1。
如下圖所示，我們只有一個(gè)線程，執(zhí)行CPU 計(jì)算的時(shí)候， I/O 設(shè)備空閑； 執(zhí)行 I/O 操作的時(shí)候， CPU 空閑， 所以 CPU 的利用率和 I/O 設(shè)備的利用率都是 50%。
如果有兩個(gè)線程，如下圖所示，當(dāng)線程A 執(zhí)行 CPU 計(jì)算的時(shí)候， 線程 B 執(zhí)行 I/O 操作； 當(dāng)線程 A 執(zhí)行 I/O 操作的時(shí)候，線程 B 執(zhí)行 CPU 計(jì)算，這樣 CPU 的利用率和 I/O 設(shè)備的利用率就都達(dá)到了 100%。
我們將 CPU 的利用率和 I/O 設(shè)備的利用率都提升到了 100%， 會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生了哪些影響呢？通過(guò)上面圖示，很容易看出：?jiǎn)挝粫r(shí)間處理的請(qǐng)求數(shù)量翻了一番，也就是說(shuō)吞吐量提高了一倍。此時(shí)可以你想思維以下，**如果 CPU 和 I/O 設(shè)備的利用率都很低，那么可以嘗試通過(guò)增加線程來(lái)提高吞吐量。 **
在單核時(shí)代，多線程主要用來(lái)平衡CPU 和 I/O 設(shè)備的。 如果程序只有CPU 計(jì)算， 而沒(méi)有I/O 操作的話， 多線程不但不會(huì)提升性能，還會(huì)使性能變得更差，原因是增加了線程切換成本。但是在多核時(shí)代，這種純計(jì)算型的程序可以利用多線程來(lái)提高性能。為什么呢？因?yàn)槔枚嗪丝梢越档晚憫?yīng)時(shí)間。
為了便于你理解，這里我舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明一下：計(jì)算 1+2+… … +100 億的值，如果在 4 核的 CPU 上利用 4 個(gè)線程執(zhí)行，線程 A 計(jì)算 [1，25 億)，線程 B 計(jì)算 [25 億，50 億)，線程 C 計(jì)算 [50，75 億)，線程 D 計(jì)算 [75 億，100 億]，之后匯總，那么理論上應(yīng)該比一個(gè)線程計(jì)算 [1，100 億] 快將近 4 倍，響應(yīng)時(shí)間能夠降到 25%。一個(gè)線程，對(duì)于 4 核的 CPU，CPU 的利用率只有 25%，而 4 個(gè)線程，則能夠?qū)?CPU 的利用率提高到 100%。
創(chuàng)建多少線程合適？
創(chuàng)建多少線程合適，需要看多線程具體應(yīng)用場(chǎng)景。我們的程序一般是CPU 計(jì)算和 I/O 操作交叉執(zhí)行的，由于 I/O 設(shè)備的速度相對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō)都很慢，所以大部分情況下，I/O 操作執(zhí)行的時(shí)間相對(duì)于 CPU 計(jì)算來(lái)說(shuō)都非常長(zhǎng)，這種場(chǎng)景我們一般都稱(chēng)為 I/O 密集型計(jì)算；
和 I/O 密集型計(jì)算相對(duì)的就是 CPU 密集型計(jì)算了，CPU 密集型計(jì)算大部分場(chǎng)景下都是純 CPU 計(jì)算。I/O 密集型程序和 CPU 密集型程序，計(jì)算最佳線程數(shù)的方法是不同的。
下面我們對(duì)這兩個(gè)場(chǎng)景分別說(shuō)明。
對(duì)于 CPU 密集型計(jì)算，多線程本質(zhì)上是提升多核 CPU 的利用率， 所以對(duì)于一個(gè)4 核的 CPU，每個(gè)核一個(gè)線程，理論上創(chuàng)建 4 個(gè)線程就可以了， 再多創(chuàng)建線程只是增加線程切換的成本。所以，對(duì)于 CPU 密集型的計(jì)算場(chǎng)景，理論上“線程的數(shù)量 =CPU 核數(shù)”就是最合適的。不過(guò)在工程上，線程的數(shù)量一般會(huì)設(shè)置為“CPU 核數(shù) +1”， 這樣的話，當(dāng)線程因?yàn)榕紶柕膬?nèi)存頁(yè)失效，或者其他原因?qū)е伦枞?，這個(gè)額外的線程可以頂上，從而保證CPU的利用率。
對(duì)于I/O 密集型的計(jì)算場(chǎng)景，比如前面我們提到的例子中，如果 CPU 計(jì)算和 I/O 操作的耗時(shí)是 1:1，那么 2 個(gè)線程是最合適的。 如果 CPU 計(jì)算和 I/O 操作的耗時(shí)是 1:2，那多少個(gè)線程合適呢？是 3 個(gè)線程，如下圖所示：CPU 在 A、B、C 三個(gè)線程之間切換，對(duì)于線程 A，當(dāng) CPU 從 B、C 切換回來(lái)時(shí)，線程 A 正好執(zhí)行完 I/O 操作。這樣 CPU 和 I/O 設(shè)備的利用率都達(dá)到了 100%。
通過(guò)上面的例子，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于I/O 密集型計(jì)算場(chǎng)景， 最佳的線程數(shù)是與程序中CPU 計(jì)算和 I/O 操作的耗時(shí)比相關(guān)的，我們可以總結(jié)出這樣一個(gè)公式：
最佳線程數(shù) =1 +（I/O 耗時(shí) / CPU 耗時(shí)）
我們令 R=I/O 耗時(shí) / CPU 耗時(shí)，綜合上圖，可以這樣理解：當(dāng)線程 A 執(zhí)行 IO 操作時(shí)，另外 R 個(gè)線程正好執(zhí)行完各自的 CPU 計(jì)算。這樣 CPU 的利用率就達(dá)到了 100%。
不過(guò)上面這個(gè)公式，是針對(duì)單核CPU 的，至于多核CPU ，也很簡(jiǎn)單，只要等比擴(kuò)大就可以了，計(jì)算公式如下：
最佳線程數(shù) =CPU 核數(shù) * [ 1 +（I/O 耗時(shí) / CPU 耗時(shí)）]
總結(jié)
很多人都知道線程不是越多越好，但是設(shè)置多少合適，卻又拿不定注意，其實(shí)只要把我一條原則就可以了，這條原則就是 將硬件性能發(fā)揮到極致。上面我們針對(duì)CPU密集型和I/O 密集型計(jì)算場(chǎng)景都給出了理論上的最佳公式，這些公式背后的目標(biāo)其實(shí)就是將硬件的性能發(fā)揮到極致。
對(duì)于 I/O 密集型計(jì)算場(chǎng)景，I/O 耗時(shí)和 CPU 耗時(shí)的比值是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，不幸的是這個(gè)參數(shù)是未知的，而且是動(dòng)態(tài)變化的，所以工程上，我們要估算這個(gè)參數(shù)，然后做各種不同場(chǎng)景下的壓測(cè)來(lái)驗(yàn)證我們的估計(jì)。不過(guò)工程上，原則還是將硬件的性能發(fā)揮到極致，所以壓測(cè)時(shí)，我們需要重點(diǎn)關(guān)注 CPU、I/O 設(shè)備的利用率和性能指標(biāo)（響應(yīng)時(shí)間、吞吐量）之間的關(guān)系。
