windows java 多线程cpu利用率特别低

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mob649e8161738c 2024-11-11 05:29:33 ©著作权

文章标签 Java 多线程 Windows 文章分类 Java 后端开发

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Windows Java 多线程CPU利用率特别低的现象解析

在现代计算中，单核CPU的处理能力已经逐渐无法满足复杂应用的需求，尤其是在运行高并发程序时。因此，Java 作为一种广泛使用的编程语言，提供了多线程机制以提高 CPU 利用率。然而，有时候我们会发现，在 Windows 平台上运行 Java 多线程程序时，CPU 利用率却显得特别低。本篇文章将探讨这一现象的原因，并提供代码示例来帮助理解。

为什么出现低 CPU 利用率？

1. 线程调度

在 Windows 系统上，线程调度由操作系统进行管理，Java 虚拟机（JVM）会将线程请求交给操作系统来处理。若线程的启动和切换过于频繁，就会导致上下文切换的开销过大，影响整体性能。

2. 锁竞争

当多个线程尝试访问共享资源时，会出现竞争，Java 使用 synchronized、ReentrantLock 等机制进行线程同步，这可能导致线程在获取锁时进入阻塞状态，从而降低 CPU 利用率。

3. 不合理的线程数

启动过多的线程（超出 CPU 核心数）会导致资源竞争和上下文切换的增加，最终使 CPU 利用率降低。

4. I/O 操作

即使采用多线程，若程序中大量的 I/O 操作（如文件读取、网络通信等），也会造成 CPU 饱和，但 CPU 利用率却低。这是因为 I/O 操作往往会阻塞线程。

示例代码

以下是一个简单的 Java 多线程示例，演示了如何在多个线程间进行简单的计算工作。同时，我们将使用 ExecutorService 管理线程池，确保线程数不会过多。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class MultiThreadExample {
    public static void main(String[] args) {
        int numberOfThreads = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); // 获取CPU核心数
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(numberOfThreads);

        for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {
            executorService.submit(new Task());
        }

        executorService.shutdown(); // 关闭线程池
    }

    static class Task implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            int sum = 0;
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                sum += i; // 简单的计算任务
            }
            System.out.println("Task completed! Sum = " + sum);
        }
    }
}

以上代码创建了一组与 CPU 核心数相等的线程来执行简单的求和操作，从而提高 CPU 利用率。

行程图

通过以下行程图，可以清晰地展示出在程序运行过程中，各个阶段的时间分布。

journey
    title Java Multi-threading Journey
    section Thread Creation
      Add threads to executor: 5: You
      Schedule tasks: 3: You
    section Task Execution
      Execute calculations: 4: You
      Print results: 2: You

关系图

为了展示多线程工作中，任务、线程和 CPU 之间的关系，可以使用以下关系图。

erDiagram
    TASK {
      int id PK
      string description
    }
    THREAD {
      int id PK
      string state
    }
    CPU {
      int id PK
      string core
    }

    TASK ||--o{ THREAD : "executes"
    CPU ||--o{ THREAD : "manages"