Linux线程qps测试

本实验源自该开源项目需求

https://github.com/yds086/HereticOS

实验环境

OS     : Centos 7.1

Kernel: 4.6.0

CPU   : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620 v2 @ 2.10GHz （开启超线程）

MEM : 48G DDR3 

修改如下系统参数以创建尽量多的线程

/proc/sys/kernel/pid_max #操作系统线程数限制

/proc/sys/kernel/threads-max  #操作系统线程数 

max_user_process（ulimit -u） #系统限制某用户下最多可以运行多少进程或线程

ulimit -s 512 #修改线程栈大小

/proc/sys/vm/max_map_count #单进程mmap的限制会影响当个进程可创建的线程数

/proc/sys/kernel/threads-max 这个值需要注意下：

4.6.0的内核中，该值：

threads = div64_u64((u64) totalram_pages * (u64) PAGE_SIZE,
				    (u64) THREAD_SIZE * 8UL);

即48GB的内存，可以创建的threads-max为:

totalram_pages = 49432356KB/4KB = 12358089

threads = 12358089*4kB / (8kB * 8) = 772380
理论上可已得到应该是772380的线程数目，但不知为何，实际threads-max参数最多可以设置到772380/2 = 386190

伪代码

//任务模式
long long g_SleepIoCount=0;
long long g_SleepIoLastCount=0;
void IOTask()
{
	for(;;)
	{
		Sleep(100);// 100 ms 1000ms 10000ms
		g_SleepIoCount++;
	}
}

void TestIo()
{
	//创建一组并发任务
	CreatTask(IOTask,1000000);
	//监测IO计数
	for(;;)
	{
		Sleep(3000)//3s统计一次
		printf("Sleep Iops %d",(g_SleepIoCount-g_SleepIoLastCount)/3);
	}
	
}

测试代码

#define _GNU_SOURCE
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

uint32_t g_sleep_ms = 0; 
uint32_t g_threadcnt = 0;
uint32_t g_running_threadcnt = 0;
uint64_t g_SleepIoCount = 0;
int32_t  g_main_bind = -1;
int32_t  g_task_bind = -1;

#define USE_CORE_BIND 1
#define MSLEEP(x) usleep(1000 * (x))
#define ATOMIC_FETCH_AND_ADD(ptr,value)    __sync_fetch_and_add((ptr), (value))


void *sleep_task(void* para)
{

    if (g_task_bind >= 0)
    {
        cpu_set_t mask;
        CPU_ZERO(&mask);
        CPU_SET(g_task_bind, &mask);
        if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(mask), &mask) < 0)
        {		
            printf("Bind to Core Error !\n");
        return NULL;
        }
    }  
    
    ATOMIC_FETCH_AND_ADD(&g_running_threadcnt, 1);
    while(1)
    {
        MSLEEP(g_sleep_ms);
        ATOMIC_FETCH_AND_ADD(&g_SleepIoCount, 1);
    }
}

static inline pid_t gettid(void){
    return syscall(SYS_gettid);
}

void execute_cmd(const char *cmd, char *result)   
{   
    char buf_ps[1024];   
    char ps[1024]={0};   
    FILE *ptr;   
    strcpy(ps, cmd);   
    if((ptr=popen(ps, "r"))!=NULL)   
    {   
        while(fgets(buf_ps, 1024, ptr)!=NULL)   
        {   
           strcat(result, buf_ps);   
           if(strlen(result)>1024)   
               break;   
        }   
        pclose(ptr);   
        ptr = NULL;   
    }   
    else  
    {   
        printf("popen %s error\n", ps);   
    }   
}  

void print_process_info(void)
{
    char cmd_string[128] = {0};
    char cmd_result[128] = {0};
    
    pid_t my_pid = gettid();
    memset(cmd_string, 0, sizeof(cmd_string));
    memset(cmd_result, 0, sizeof(cmd_result));
    sprintf(cmd_string, "cat /proc/%u/status | grep VmRSS | cut -d : -f 2 | tr -cd \"[0-9]\"", (uint32_t)my_pid); 
    execute_cmd(cmd_string, cmd_result);
    printf("Current Process Used %s physical memory !!!!\n", cmd_result);    

    memset(cmd_string, 0, sizeof(cmd_string));
    memset(cmd_result, 0, sizeof(cmd_result));
    sprintf(cmd_string, "cat /proc/%u/status | grep VmSize | cut -d : -f 2 | tr -cd \"[0-9]\"", (uint32_t)my_pid);
    execute_cmd(cmd_string, cmd_result);
    printf("Current Process Used %s virtual memory !!!!\n", cmd_result);

    memset(cmd_string, 0, sizeof(cmd_string));
    memset(cmd_result, 0, sizeof(cmd_result));
    sprintf(cmd_string, "cat /proc/%u/status | grep Threads | cut -d : -f 2 | tr -cd \"[0-9]\"", (uint32_t)my_pid);
    execute_cmd(cmd_string, cmd_result);
    printf("Current Process Used %s threads !!!!\n", cmd_result);

    sleep(3);
    return ;
}

void main(int argc, void* argv[])
{
    if (argc != 5)
    {
        printf("Usage:$s thread_cnt sleep_ms main_bind task_bind \n", argv[0]);
        return;
    }
    
    g_threadcnt = atoi(argv[1]);
    g_sleep_ms = atoi(argv[2]);
    g_main_bind = atoi(argv[3]);
    g_task_bind = atoi(argv[4]);

    if (g_main_bind >= 0)
    {
        cpu_set_t mask;
        CPU_ZERO(&mask);
        CPU_SET(1, &mask);
        if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(mask), &mask) < 0)
        {
            printf("Main Bind to Core Error !\n");
            return;
        }
    }
 
    int ret = 0;
    uint32_t i;
    pthread_t thread;
    for (i = 0; i < g_threadcnt; i++)
    {
        if (i % 5000 == 0)
        {
            printf("Already create %d threads ....\n", i);
        }
    
        ret = pthread_create(&thread, NULL, &sleep_task, NULL);
        if (0 != ret)
        {
            printf("[ERROR]Create thread error, index:%d, ret:%d!!!\n", i, ret);
            return;
        }
    }
    
    //waiting for thread all running
    while (g_running_threadcnt != g_threadcnt)
    {
        printf("Running:%d  -  Total:%d \n", g_running_threadcnt, g_threadcnt);
        sleep(1);
    }
    printf("All the %d threads is running ....\n", g_running_threadcnt);

    print_process_info();
 
    //excute the test
    uint64_t last_cnt = 0;
    int test_cnt = 0;
    for (; test_cnt < 50; test_cnt++)
    {
        sleep(3);
        if (test_cnt != 0)
            printf("Sleep Iops %d  \n",(g_SleepIoCount-last_cnt)/3);
        last_cnt = g_SleepIoCount; // maybe not accurate ...   
    }
   
    print_process_info(); 
    return;
}

Makefile

test:pthreadtest.c
	gcc -g -O3 -o test ./pthreadtest.c -lpthread 
clean:
	rm -rf ./test

测试场景

单一核心上可以同时运行的最大线程数目

运行 ./test 325000 1000 1 2 ， 即创建325000个线程，每个任务线程sleep 1s，同时主进程绑定在核心1上，任务线程均绑定在核心2上。

可以看出，主进程很快就创建完了325000个线程，但由于这些线程均绑定至核心2上，并且已经运行的线程只sleep 1s，导致需要运行的线程得不到时间片。

（用岛主的话说：“那就是被io上限约束了吧， 再创建的都饿死，而不是都给点饭吃吗”）

结论： 经过测试，本实验环境下，在sleep 1s情况下，创建24w左右的线程可为极限。

单一进程进行核心绑定，得出单核的qps极限值

运行./test 26000 100 1 2

调整创建的线程数目，发现大于26000的线程后，创建线程将变的困难，和测试场景1属于同样的问题。

结论： 经过测试，本实验环境下，在sleep 100ms情况下，单核qps极限值为25w左右，此时任务核心cpu跑满100%

同样的，时间扩大1倍至1s，线程数目扩大至250000，结果如下：（线性扩大至260000时，程序响应慢）

结论： 经过测试，本实验环境下，在sleep 1000ms情况下，单核qps极限值为24w左右，此时任务核心cpu跑满100%

我的环境下/proc/sys/kernel/threads-max最多30w左右（内存限制），导致无法测试10s的情况

同时运行多个进程，并进行核心绑定

同时执行./test 26000 100 1 2 和 ./test 26000 100 3 4

测试结果：多核心的cpu，在此种测试结果下，qps基本成线性增加，（同时在物理核和超线程核心，会有一定影响）

将运行线程和sleep时间同时扩大10倍，即同时运行./test 240000 1000 1 2 和 ./test 240000 1000 3 4： 测试结果如下

测试结果：多核心的cpu，在此种测试结果下，qps基本成线性增加，（同时在物理核和超线程核心，会有一定影响）

单一进程，不进行核心绑定

不进行核心绑定，由linux默认进行调度，理论上应该是25w * 12 的qps，在我的12核心cpu实验环境下得到如下结果：

运行 ./test 190000 100 -1 -1

此时的cpu基本跑满

如前述所说，和超线程也有一定的关系，所以并不一定是完全线性的。

测试结果：19w的线程，sleep 100ms，基本可以达到190w的qps，再进一步创建线程比较困难。

测试汇总

任务数	sleep 100ms	sleep 1000ms
26000	25w qps
250000		24w qps
180000	180w qps

相关结论：
1）单个cpu核心的qps，可达25w qps；
2）多核心cpu，qps可扩展，基本符合线性，但超线程需关闭