【故障现场】多线程性能优化最大的坑，99%人都不自知_编程技术

1. 问题&分析

当我们在处理慢接口问题时，经常会使用多线程技术，将能够并行处理的任务拆分到不同的线程中处理，等任务处理完成后，再收集各线程的处理结果，进行后续的处理。整体思路如下图所示：

【故障现场】多线程性能优化最大的坑，99%人都不自知图片

这样可以将并行部分的总耗时从 sum 降为 max，从而大幅降低接口的响应时间。

1.1. 案例

订单详情页耗时严重，p99 将近3秒，已经验证影响用户体验，本次迭代小艾专门对该接口进行优化。迭代刚上线，该接口的响应时间大幅降低，p99 降低到 800 毫秒以内，大家纷纷向小艾发来祝贺。但好景不长，随着流量的增加，接口响应时间也在逐渐变长，p99 超过 5 秒，最后系统抛出大量的 RejectedExecutionException 异常，这个接口不可用。最终，QA伙伴火速进行回滚操作，系统恢复正常。

系统恢复后，小艾仔细查看系统监控，CPU使用率并不高，内存也处于正常水位，接口性能居然比优化前还差，真心不知道哪里出了问题。

优化前代码：

public RestResult<OrderDetailVO> getOrderDetail(@PathVariable Long orderId){
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        OrderService.Order order = this.orderService.getById(orderId);
        if (order == null){
            return RestResult.success(null);
        }
        OrderDetailVO orderDetail = new OrderDetailVO();
        orderDetail.setUser(userService.getById(order.getUserId()));
        orderDetail.setAddress(addressService.getById(order.getUserAddressId()));
        orderDetail.setCoupon(couponService.getById(order.getCouponId()));
        orderDetail.setProduct(productService.getById(order.getProductId()));
        log.info("串行 Cost {} ms", stopwatch.stop().elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
        return RestResult.success(orderDetail);
}

优化前耗时：

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优化后代码：

public RestResult<OrderDetailVO> getOrderDetailNew(@PathVariable Long orderId){
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        OrderService.Order order = this.orderService.getById(orderId);
        if (order == null){
            return RestResult.success(null);
        }
        Future<UserService.User> userFuture = this.executorService.submit(() -> userService.getById(order.getUserId()));
        Future<AddressService.Address> addressFuture = this.executorService.submit(() -> addressService.getById(order.getUserAddressId()));
        Future<CouponService.Coupon> couponFuture = this.executorService.submit(() -> couponService.getById(order.getCouponId()));
        Future<ProductService.Product> productFuture = this.executorService.submit(() -> productService.getById(order.getProductId()));

        OrderDetailVO orderDetail = new OrderDetailVO();
        orderDetail.setUser(getFutureValue(userFuture));
        orderDetail.setProduct(getFutureValue(productFuture));
        orderDetail.setAddress(getFutureValue(addressFuture));
        orderDetail.setCoupon(getFutureValue(couponFuture));
        log.info("并行 Cost {} ms", stopwatch.stop().elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
        return RestResult.success(orderDetail);
    }

优化后耗时：

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可见采用并行优化后，接口的响应时间从 4 秒将至 1 秒，效果还是非常明显的。

但，继续加大请求量，系统便出现问题，如下图所示：

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【故障现场】多线程性能优化最大的坑，99%人都不自知

在流量逐渐增加的过程中，从日志中可以得到以下信息：

初期耗时稳定，基本在 1 秒左右

接口耗时逐渐增大，甚至远超串行处理的耗时（大于 4 秒）

有些请求直接抛出 RejectedExecutionException 异常

1.2. 问题分析

从代码中并未发现任何问题，设计思路也非常清晰，其核心问题在线程池使用上，项目线程池配置如下：

int coreSize = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
executorService = new ThreadPoolExecutor(coreSize, coreSize * 5,
        5L, TimeUnit.MINUTES,
        new LinkedBlockingQueue<Runnable>(1024)
        );

核心配置为：

核心线程数为 cpu 核数
最大线程数为 cpu 核数的 5 倍
空闲线程存活时间为 5 分钟
任务队列为 LinkedBlockingQueue 大小为 1024

在这个配置下，我们推演下以上的三个现象。

1.2.1. 线程资源充足

如下图所示：

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整体流程如下：

主线程向线程池提交 Task
由于线程处于空闲状态，立即接受并处理问题
线程池线程处理完任务，将最终的处理结果写回到 Future
主线程等待所有任务执行完成，获取所有执行结果，然后执行后续流程

这正是想要的执行结果，任务被并行执行，大幅降低接口耗时。

1.2.2. 任务进入等待队列

随着流量的增加，所有的核心线程都处于忙碌状态，此时新任务将进入等待队列，具体如下：

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整体流入如下：

主线程向线程池提交任务
由于没有核心线程可用，任务被放置到任务队列
主线程进入等待状态，等待时间包括两部分：

任务在队列中等待线程调度时间

任务分配到线程后，任务实际执行时间

如果前面等待的任务非常多，那等待时间将变的非常长

主线程等待时间 = 队列等待时间 + 任务执行时间。当任务队列非常长时，整体时间将远超串行执行时间。

1.2.3. 资源耗尽触发拒绝策略

流量继续增加，线程池的任务队列已满并且线程数量也达到上限，此时会触发拒绝策略，具体如下：

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线程池默认拒绝策略为：AbortPolicy，直接抛出 RejectedExecutionException，从而触发接口异常。

还有更可怕的情况，就是部分提交，也就是主线程已经成功提交几个任务，如下图所示：

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核心流程如下：

主线程已经成功提交两个任务
在提交第三个任务时，由于资源不够触发拒绝策略，抛出异常导致主线程提前结束
已经成功提交的任务仍旧会被线程执行，由于主线程已经退出，执行结果没有任何意义，从而白白浪费系统资源

2. 解决方案

前面已经分析的很清楚，问题的本质就是线程池资源分配不合理，核心参数设置错误：

队列设置错误。在该场景下，需要充分利用线程资源，将任务放入队列会增加任务在队列的等待时间，队列长度越大对系统的伤害越大；
拒绝策略设置错误。直接抛出异常会中断主流程，导致部分无效任务（无意义任务）提交，白白浪费系统资源；

除线程池参数问题外，还有个小问题：主线程完成任务提交后处于等待状态，未执行任何有意义的操作，存在资源浪费。

2.1. 线程池改进方案

改进线程池如下所示：

int coreSize = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
executorService = new ThreadPoolExecutor(coreSize, coreSize * 5,
        5L, TimeUnit.MINUTES,
        new SynchronousQueue<>(),
        new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()
        );

线程池配置如下：

核心线程数不变，仍旧是 cpu 数；
最大线程数不变，仍旧是 cpu 数的5倍；
空闲线程存活时间不变，仍旧是 5 分钟；
使用 SynchronousQueue 替代 LinkedBlockingQueue(1024)。SynchronousQueue 是一个特殊的队列，其最大容量是1。也就是说，任何一次插入操作都必须等待一个相应的删除操作，反之亦然。如果没有相应的操作正在进行，则该线程将被阻塞；
指定拒绝策略为 CallerRunsPolicy。当线程池资源不够时，由主线程来执行任务；

在这个配置下，及时线程池中的所有资源全部耗尽，也只会降级到串行执行，不会让系统变的更糟糕。

新配置下，系统表现如下：

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在最差的情况下也仅仅与串行执行耗时一致。

总体来说就一句话：线程池有资源可用，那就为主线程分担部分压力；如果没有资源可用，那就由主线程独自完成。

2.1. 充分利用主线程

上面提到一个小问题，在资源充足情况下，所有任务均有线程池线程完成，主线程一致处于等待状态，存在一定的资源浪费。

如下图所示：

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3 个任务耗费 4 个线程资源：

线程池3个线程负责执行任务
主线程等待执行结果，一直处于阻塞状态

为了充分利用线程资源，可以让主线程负责执行任意一个任务。如下图所示：

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主线程不在盲目等待，也负责一个任务的执行，这样 3 个任务只需 3 个线程即可。

代码上也非常简单，具体如下：

public RestResult<OrderDetailVO> getOrderDetailNew(@PathVariable Long orderId){
    Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
    OrderService.Order order = this.orderService.getById(orderId);
    if (order == null){
        return RestResult.success(null);
    }
    Future<UserService.User> userFuture = this.executorService.submit(() -> userService.getById(order.getUserId()));
    Future<AddressService.Address> addressFuture = this.executorService.submit(() -> addressService.getById(order.getUserAddressId()));
    Future<CouponService.Coupon> couponFuture = this.executorService.submit(() -> couponService.getById(order.getCouponId()));
//        Future<ProductService.Product> productFuture = this.executorService.submit(() -> productService.getById(order.getProductId()));

    OrderDetailVO orderDetail = new OrderDetailVO();
    // 由主线程负责运行
    orderDetail.setProduct(productService.getById(order.getProductId()));

    orderDetail.setUser(getFutureValue(userFuture));
    orderDetail.setAddress(getFutureValue(addressFuture));
    orderDetail.setCoupon(getFutureValue(couponFuture));
    log.info("并行 Cost {} ms", stopwatch.stop().elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
    return RestResult.success(orderDetail);
}

主线程执行不同的任务，会对接口的响应时间产生影响吗？

不会，并行执行整体耗时为 max(任务耗时)，主线程必须获取全部结果才能运行，所以必须等待这么长时间。