JAVA线程上下文切换抖动导致接口延迟激增的排查方式

好的，下面我将以讲座的形式，详细讲解Java线程上下文切换抖动导致接口延迟激增的排查方式。

讲座：Java线程上下文切换抖动导致接口延迟激增的排查方式

各位，大家好！今天我们来聊聊一个在Java高性能服务中经常遇到的问题：线程上下文切换抖动导致接口延迟激增。这个问题比较隐蔽，排查起来需要一定的经验和工具。

什么是线程上下文切换？

首先，我们要理解什么是线程上下文切换。操作系统为了实现多任务并发执行，会快速切换CPU执行的不同线程。这个切换的过程就叫做线程上下文切换。每次切换，操作系统都需要保存当前线程的状态（比如CPU寄存器的值、程序计数器、堆栈指针等），然后加载下一个线程的状态。

简单来说，线程上下文切换就像一个魔术师在不同的帽子里切换兔子。 魔术师需要记住每个帽子里的兔子，然后才能顺利地切换。

线程上下文切换抖动（Thrashing）

当线程上下文切换过于频繁，以至于CPU大部分时间都花在保存和加载线程状态上，而不是执行实际的任务，这种情况就称为线程上下文切换抖动（Thrashing）。这就好像魔术师不停地切换帽子，但是观众却看不到兔子。

线程上下文切换抖动会导致CPU利用率很高，但是服务的吞吐量却很低，接口延迟也会急剧增加。

上下文切换的代价

上下文切换的代价是实实在在的。每次切换都包括：

保存当前线程的 CPU 寄存器、程序计数器、堆栈指针等信息。将当前线程的 CPU 状态从 CPU 缓存中刷新到内存。从内存中加载下一个线程的 CPU 状态到 CPU 缓存。更新操作系统的调度信息。

这些操作都会消耗CPU时间，并且会影响CPU缓存的命中率，导致性能下降。

导致线程上下文切换抖动的原因

线程上下文切换抖动的原因有很多，常见的包括：

线程数量过多： 创建过多的线程会导致CPU需要在大量线程之间切换，从而增加上下文切换的开销。锁竞争激烈： 当多个线程竞争同一个锁时，未获得锁的线程会被阻塞，导致上下文切换。频繁的 I/O 操作： 线程在等待 I/O 操作完成时会被阻塞，导致上下文切换。JVM 垃圾回收 (GC)： GC 会暂停所有线程（Stop-The-World），导致上下文切换。不合理的线程池配置： 线程池的配置不当，例如线程数量过少或队列过长，会导致线程频繁创建和销毁，从而增加上下文切换的开销。

如何排查线程上下文切换抖动导致的接口延迟激增

排查线程上下文切换抖动是一个复杂的过程，需要借助各种工具和技巧。下面我将介绍一些常用的排查方法：

1. 监控系统指标

首先，我们需要监控系统的关键指标，例如：

CPU 利用率： 如果 CPU 利用率很高，但是服务的吞吐量却很低，那么很可能存在线程上下文切换抖动。上下文切换次数 (Context Switch)： 监控上下文切换的次数可以帮助我们判断是否存在过多的上下文切换。可以使用 vmstat、pidstat、top 等工具来监控上下文切换次数。系统平均负载 (Load Average)： 如果系统平均负载很高，但是 CPU 利用率却不高，那么很可能存在 I/O 瓶颈或锁竞争。线程状态： 监控线程的状态可以帮助我们找出哪些线程处于阻塞状态。可以使用 jstack、jconsole 等工具来监控线程状态。

2. 使用性能分析工具

性能分析工具可以帮助我们深入了解程序的运行状态，找出性能瓶颈。常用的性能分析工具包括：

JProfiler： 一个强大的 Java 性能分析工具，可以监控 CPU 使用情况、内存使用情况、线程状态、锁竞争等。YourKit： 另一个流行的 Java 性能分析工具，功能与 JProfiler 类似。VisualVM： JDK 自带的性能分析工具，可以监控 CPU 使用情况、内存使用情况、线程状态等。火焰图 (Flame Graph)： 一种可视化性能分析工具，可以帮助我们快速找出 CPU 使用率最高的代码路径。

3. 分析线程 Dump

线程 Dump 是 JVM 在某个时刻的线程快照。我们可以通过分析线程 Dump 来找出哪些线程处于阻塞状态，以及它们正在等待哪些锁。

可以使用 jstack 命令来生成线程 Dump。


jstack <pid> > thread_dump.txt

然后，可以使用文本编辑器或线程 Dump 分析工具来分析线程 Dump。常见的线程 Dump 分析工具有：

TDA (Thread Dump Analyzer)： 一个开源的线程 Dump 分析工具。FastThread： 一个在线的线程 Dump 分析工具。

4. 代码审查

代码审查是排查线程上下文切换抖动的重要手段。我们需要仔细审查代码，找出可能导致锁竞争、频繁 I/O 操作、不合理线程池配置等问题的代码。

5. 模拟和压力测试

在排查问题之前，最好先进行模拟和压力测试，以重现问题。可以使用 JMeter、LoadRunner 等工具进行压力测试。

具体排查步骤

下面我将以一个具体的例子来说明如何排查线程上下文切换抖动导致的接口延迟激增。

假设： 我们的一个 Java 服务接口延迟突然增加，CPU 利用率很高，但是服务的吞吐量却很低。

步骤：

监控系统指标： 使用 vmstat、pidstat 等工具监控 CPU 利用率、上下文切换次数、系统平均负载等指标。发现上下文切换次数明显增加。


vmstat 1

vmstat 输出结果中，cs 列表示每秒上下文切换次数。如果 cs 列的值很高，则说明存在过多的上下文切换。

生成线程 Dump： 使用 jstack 命令生成线程 Dump。


jstack <pid> > thread_dump.txt

分析线程 Dump： 使用文本编辑器或线程 Dump 分析工具分析线程 Dump。发现大量的线程处于 BLOCKED 状态，并且都在等待同一个锁。

例如，在线程 Dump 中，可能会看到类似以下的线程信息：



"Thread-1" #23 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f98c0a00000 nid=0x5203 waiting for monitor entry [0x00007f98b8a00000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at com.example.MyClass.myMethod(MyClass.java:20)
        - waiting to lock <0x000000076b000000> (a java.lang.Object)
        at com.example.MyTask.run(MyTask.java:10)
        at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
        at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

这个线程 Dump 信息表明，Thread-1 线程处于 BLOCKED 状态，正在等待 0x000000076b000000 锁。com.example.MyClass.myMethod 方法是持有这个锁的代码。

代码审查： 审查 com.example.MyClass.myMethod 方法的代码，发现该方法使用了 synchronized 关键字，并且有大量的线程竞争这个锁。



public class MyClass {
    private final Object lock = new Object();
 
    public void myMethod() {
        synchronized (lock) {
            // 耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

解决方案： 可以采取以下措施来解决锁竞争问题：

减少锁的粒度： 将锁的范围缩小，只保护需要同步的代码块。使用并发集合： 使用 ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等并发集合来代替传统的 HashMap、LinkedList 等集合。使用原子类： 使用 AtomicInteger、AtomicLong 等原子类来代替 int、long 等基本类型。使用无锁数据结构： 使用无锁数据结构，例如 CAS (Compare and Swap) 操作。使用读写锁： 如果读操作远多于写操作，可以使用读写锁来提高并发性能。

在这个例子中，我们可以考虑使用 ReentrantReadWriteLock 来代替 synchronized 关键字。



import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;
 
public class MyClass {
    private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
 
    public void myMethod() {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            // 耗时操作
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

或者，如果 myMethod 中的操作可以分解为读操作和写操作，则可以使用读写锁来进一步提高并发性能。

重新部署和测试： 重新部署服务，并进行压力测试，验证解决方案是否有效。

其他优化手段

除了解决锁竞争问题，还可以采取以下措施来减少线程上下文切换抖动：

调整线程池大小： 线程池的大小应该根据 CPU 核心数和任务的类型来调整。如果线程池过小，会导致线程频繁创建和销毁；如果线程池过大，会导致过多的上下文切换。使用异步编程： 使用异步编程可以避免线程阻塞，从而减少上下文切换。可以使用 CompletableFuture、RxJava 等框架来实现异步编程.优化 I/O 操作：使用 NIO (Non-Blocking I/O) 可以避免线程在等待 I/O 操作完成时被阻塞。减少 GC 的频率： 优化 JVM 参数，减少 GC 的频率，可以减少 STW 的时间，从而减少上下文切换。

总结与建议

线程上下文切换抖动是导致 Java 服务接口延迟激增的常见原因之一。排查线程上下文切换抖动需要借助各种工具和技巧，包括监控系统指标、使用性能分析工具、分析线程 Dump、代码审查、模拟和压力测试等。

以下是一些建议：

监控是关键： 建立完善的监控体系，及时发现问题。熟悉常用工具： 掌握常用的性能分析工具和线程 Dump 分析工具。代码质量很重要： 编写高质量的代码，避免锁竞争、频繁 I/O 操作、不合理线程池配置等问题。持续优化： 性能优化是一个持续的过程，需要不断地分析和改进。

代码示例：使用 JProfiler 分析线程上下文切换

以下代码演示了如何使用 JProfiler 分析线程上下文切换：



import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class ContextSwitchExample {
 
    private static final int NUM_THREADS = 100;
    private static final int NUM_TASKS = 1000;
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(NUM_THREADS);
 
        for (int i = 0; i < NUM_TASKS; i++) {
            executor.submit(() -> {
                // 模拟一些工作
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            });
        }
 
        executor.shutdown();
        executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);
    }
}

运行这个程序，然后使用 JProfiler 连接到 JVM。在 JProfiler 中，可以查看线程的 CPU 使用情况、状态、锁竞争等信息。

启动 JProfiler: 打开 JProfiler 并选择连接到运行中的 JVM 进程。CPU 视图: 在 JProfiler 中，切换到 “CPU Views” -> “Threads” 视图。时间线: 查看线程的时间线，可以观察到线程的运行状态（Running, Sleeping, Waiting, Blocked）。频繁的线程切换会导致时间线上出现大量的上下文切换。热点: 查看 “Hot Spots” 视图，可以找到 CPU 使用率最高的代码路径，从而找出性能瓶颈。锁视图: 切换到 “Monitors & Locks” 视图，可以查看锁的竞争情况。

通过 JProfiler 的分析，可以发现哪些线程导致了大量的上下文切换，以及哪些锁导致了激烈的竞争。

优化思路

减少线程数量: 如果线程数量过多，可以适当减少线程数量，避免过多的上下文切换。使用更高效的锁: 可以尝试使用 ReentrantReadWriteLock 或 StampedLock 等更高效的锁来代替 synchronized 关键字。优化代码: 审查代码，找出可能导致锁竞争、频繁 I/O 操作、不合理线程池配置等问题的代码，并进行优化。