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80后聊架构:增加线程到底能不能提升吞吐量? | 架构师之路

架构师之路  · 公众号  · 架构  · 2024-11-07 19:15

正文

《架构师之路:架构设计中的100个知识点》
4.性能与扩展性,线程数与吞吐量


昨天聊了,啥时候应该优化延时(Latency),啥时候应该优化吞吐量(Throughput)

画外音:短视频二维码附在文末。


有一些评论,值得和大家扩展讨论下:

(1)有人说,延时与吞吐量是一回事,说延时下去了,吞吐量自然就上来了;
(2)有人说,增加线程数,吞吐量就上来了;
(3)有人说,增加线程数,吞吐量未必上来;

【1】延时和吞吐量,是评估啥的指标?

再次强调一下,在性能优化中:
一个用户慢,就去优化延时。
多个用户扛不住,就去优化吞吐量。


延时,是偏性能(performance)的指标。

吞吐量,是偏扩展性(scalability)的指标。

performance和scalability,评估维度并不一样。


前端架构,为什么聊performance更多?

前端FE,Android,IOS的童鞋,经常说提升performance,很少说提升scalability。


压缩资源,缓存图片,异步加载,Webpack代码拆分,PWA等等这些技术,都是提升performance的,服务好一个用户,让一个用户速度快。


后端架构,要不要提升performance,当然要。数据库访问200ms,引入缓存20ms,速度更快了。


后端架构,为什么聊scalability会更多?

因为系统难点不在于1个用户的延时是200ms还是20ms,难的是:

(1)数据库里有1亿个用户时,系统不扛得住;

(2)10万个用户同时访问时,系统不扛得住;

而这些,就是scalability的范畴。


这,是后端架构设计的核心,是scalability相关的知识点,也是我在“100个架构知识点要重点讲的内容。


【2】线程数和吞吐量,到底是什么关系?

我在短视频里举例:“增加线程数是提高吞吐量的方法之一,1个线程1秒钟处理5个请求,吞吐量是5,增加到10个线程,吞吐量变成50”。

有朋友指出我说的不对,说增加线程数,有时候能提升吞吐量,有时候不能提升吞吐量。

这位朋友说的对,我表达不严密,那么问题来:
(1)啥时候增加线程数能提升吞吐量,啥时候不能?
(2)设置线程数的依据是什么,是不是越大越好?
(3)线程数设为多少,吞吐量能最大?

下面稍微展开详细说下。

首先,工作线程数是不是设置得越大越好?
答案显然是否定的
(1)服务器CPU核数有限,能够同时并发的线程数有限,单核CPU设置1000个工作线程没有意义;
(2)线程切换有开销,如果线程切换过于频繁,反而会使性能降低;

第二个问题,调用sleep()函数的时候,线程是否一直占用CPU?
不占用,休眠时会把CPU让出来,给其他需要CPU资源的线程使用。

不止sleep,一些阻塞调用,例如网络编程中的:
(1)阻塞accept(),等待客户端连接;
(2)阻塞recv(),等待下游回包;
都会让出CPU资源

第三个问题,单核CPU,设置多线程有没有意义?单核CPU,设置多线程能否提高并发性能?

即使是单核,使用多线程也是有意义的,大多数情况也能提高并发

其一,多线程编码可以让代码更加清晰,例如:IO线程收发包,Worker线程进行任务处理,Timeout线程进行超时检测;

其二,如果有一个任务一直占用CPU资源在进行计算,此时增加线程并不能增加并发,例如以下代码会一直占用CPU,并使得CPU占用率达到100%:
 while(1){ i++; }

其三,通常来说,Worker线程一般不会一直占用CPU进行计算,此时即使CPU是单核,增加Worker线程也能够提高并发,因为这个线程在休息的时候,其他的线程可以继续工作;

第四个问题,常见服务线程模型是怎样的?


了解常见的服务线程模型,有助于理解服务并发的原理,一般来说互联网常见的服务线程模型是:IO线程工作线程通过任务队列解耦模型。

画外音:还有一种是无锁纯异步,可参考lighttpd的单线程模式,这种模型完全无锁,但无法利用多核优势。

这类线程模型,示例如下:

如上图,很多Web-Server与服务框架都是使用这样的一种“IO线程与Worker线程通过队列解耦”类线程模型:
(1)有少数几个IO线程监听上游发过来的请求,并进行收发包(生产者);
(2)有一个或者多个任务队列,作为IO线程与Worker线程异步解耦的数据传输通道(临界资源);
(3)有多个工作线程执行真正的任务(消费者);

这个线程模型应用很广,其特点是,工作线程内部是同步阻塞执行任务的,因此可以通过增加Worker线程数来增加并发能力
画外音:纯异步模型未来再聊。

“IO线程与工作线程通过队列解耦”类线程模型,工作线程的工作模式是怎么样的?

了解工作线程的工作模式,对量化分析线程数的设置非常有帮助:

上图是一个典型的工作线程的处理过程,从开始处理start到结束处理end,该任务的处理共有7个步骤:
(1)从工作队列里拿出任务,进行一些本地初始化计算,例如http协议分析、参数解析、参数校验等;
(2)访问cache拿一些数据;
(3)拿到cache里的数据后,再进行一些本地计算,这些计算和业务逻辑相关;
(4)通过RPC调用下游service再拿一些数据,或者让下游service去处理一些相关的任务;
(5)RPC调用结束后,再进行一些本地计算,怎么计算和业务逻辑相关;
(6)访问DB进行一些数据操作;
(7)操作完数据库之后做一些收尾工作,同样这些收尾工作也是本地计算,和业务逻辑相关;

分析整个处理的时间轴,会发现:
(1)其中1,3,5,7步骤中(上图中粉色时间轴),线程进行本地业务逻辑计算需要占用CPU;
(2)而2,4,6步骤中(上图中橙色时间轴),访问cache、service、DB过程中线程处于一个等待结果的状态不需要占用CPU

如何量化分析,并合理设置工作线程数呢?

通过上面的分析,Worker线程在执行的过程中:
(1)有一部计算时间需要占用CPU;
(2)另一部分等待时间不需要占用CPU;

通过量化分析,例如打日志进行统计,可以统计出整个Worker线程执行过程中这两部分时间的比例,例如:
(1)执行计算,占用CPU的时间(粉色时间轴)是100ms;
(2)等待时间,不占用CPU的时间(橙色时间轴)也是100ms;

得到的结果是,这个线程计算和等待的时间是1:1,即有50%的时间在计算(占用CPU),50%的时间在等待(不占用CPU):
(1)假设此时是单核,则设置为2个工作线程就可以把CPU充分利用起来,让CPU跑到100%;
(2)假设此时是N核,则设置为2N个工作线程就可以把CPU充分利用起来,让CPU跑到N*100%;

当当当当!!!

结论来了
N核服务器,通过执行业务的单线程分析出本地计算时间x等待时间y,则工作线程数(线程池线程数)设置为 N*(x+y)/x,能让CPU的利用率最大化。

一般来说,非CPU密集型的业务(加解密、压缩解压缩、搜索排序等业务是CPU密集型的业务),瓶颈都在后端数据库访问或者RPC调用,本地CPU计算的时间很少,所以设置几十或者几百个工作线程是能够提升吞吐量的

你,学废了吗?

==全文完==

后续我将以短视频+图文+直播+星球社群的形式,系统性的分享架构设计中的100个相关知识点,欢迎感兴趣的童鞋关注。
画外音:均免费。


短视频的进度会快一些,码字有点麻烦,进度会慢一些,大伙静候。
第3集:何时优化延时?何时优化吞吐量?

平台的策略,专业内容不推流,大家多帮忙标星,以及点赞,转发,在看三连。感谢。


你们的线程数配置是多少?