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5.6 一个进程最多可以创建多少个线程?


5.6 一个进程最多可以创建多少个线程?

昨天有位读者问了我这么个问题:


大致意思就是,他看了一个面经,说虚拟内存是 2G 大小,然后他看了我的图解系统 PDF 里说虚拟内存是 4G,然后他就懵逼了。

其实他看这个面经很有问题,没有说明是什么操作系统,以及是多少位操作系统。

因为不同的操作系统和不同位数的操作系统,虚拟内存可能是不一样多。

Windows 系统我不了解,我就说说 Linux 系统。

在 Linux 操作系统中,虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分,不同位数的系统,地址 空间的范围也不同。比如最常⻅的 32 位和 64 位系统,如下所示:

通过这里可以看出:

  • 32 位系统的内核空间占用 1G,位于最高处,剩下的 3G 是用户空间;
  • 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T,分别占据整个内存空间的最高和最低处,剩下的中
    间部分是未定义的。

接着,来看看读者那个面经题目:一个进程最多可以创建多少个线程?

这个问题跟两个东西有关系:

  • 进程的虚拟内存空间上限,因为创建一个线程,操作系统需要为其分配一个栈空间,如果线程数量越多,所需的栈空间就要越大,那么虚拟内存就会占用的越多。
  • 系统参数限制,虽然 Linux 并没有内核参数来控制单个进程创建的最大线程个数,但是有系统级别的参数来控制整个系统的最大线程个数。

我们先看看,在进程里创建一个线程需要消耗多少虚拟内存大小?

我们可以执行 ulimit -a 这条命令,查看进程创建线程时默认分配的栈空间大小,比如我这台服务器默认分配给线程的栈空间大小为 8M。

在前面我们知道,在 32 位 Linux 系统里,一个进程的虚拟空间是 4G,内核分走了 1G,留给用户用的只有 3G

那么假设创建一个线程需要占用 10M 虚拟内存,总共有 3G 虚拟内存可以使用。于是我们可以算出,最多可以创建差不多 300 个(3G/10M)左右的线程。

如果你想自己做个实验,你可以找台 32 位的 Linux 系统运行下面这个代码:

由于我手上没有 32 位的系统,我这里贴一个网上别人做的测试结果:

如果想使得进程创建上千个线程,那么我们可以调整创建线程时分配的栈空间大小,比如调整为 512k:

$ ulimit -s 512

说完 32 位系统的情况,我们来看看 64 位系统里,一个进程能创建多少线程呢?

我的测试服务器的配置:

  • 64 位系统;
  • 2G 物理内存;
  • 单核 CPU。

64 位系统意味着用户空间的虚拟内存最大值是 128T,这个数值是很大的,如果按创建一个线程需占用 10M 栈空间的情况来算,那么理论上可以创建 128T/10M 个线程,也就是 1000 多万个线程,有点魔幻!

所以按 64 位系统的虚拟内存大小,理论上可以创建无数个线程。

事实上,肯定创建不了那么多线程,除了虚拟内存的限制,还有系统的限制。

比如下面这三个内核参数的大小,都会影响创建线程的上限:

  • /proc/sys/kernel/threads-max,表示系统支持的最大线程数,默认值是 14553
  • /proc/sys/kernel/pid_max,表示系统全局的 PID 号数值的限制,每一个进程或线程都有 ID,ID 的值超过这个数,进程或线程就会创建失败,默认值是 32768
  • /proc/sys/vm/max_map_count,表示限制一个进程可以拥有的 VMA(虚拟内存区域) 的数量,具体什么意思我也没搞清楚,反正如果它的值很小,也会导致创建线程失败,默认值是 65530

那接下针对我的测试服务器的配置,看下一个进程最多能创建多少个线程呢?

我在这台服务器跑了前面的程序,其结果如下:

可以看到,创建了 14374 个线程后,就无法在创建了,而且报错是因为资源的限制。

前面我提到的 threads-max 内核参数,它是限制系统里最大线程数,默认值是 14553。

我们可以运行那个测试线程数的程序后,看下当前系统的线程数是多少,可以通过 top -H 查看。

左上角的 Threads 的数量显示是 14553,与 threads-max 内核参数的值相同,所以我们可以认为是因为这个参数导致无法继续创建线程。

那么,我们可以把 threads-max 参数设置成 99999:

echo 99999 > /proc/sys/kernel/threads-max

设置完 threads-max 参数后,我们重新跑测试线程数的程序,运行后结果如下图:

可以看到,当进程创建了 32326 个线程后,就无法继续创建里,且报错是无法继续申请内存。

此时的上限个数很接近 pid_max 内核参数的默认值(32768),那么我们可以尝试将这个参数设置为 99999:

echo 99999 > /proc/sys/kernel/pid_max

设置完 pid_max 参数后,继续跑测试线程数的程序,运行后结果创建线程的个数还是一样卡在了 32768 了。

当时我也挺疑惑的,明明 pid_max 已经调整大后,为什么线程个数还是上不去呢?

后面经过查阅资料发现,max_map_count 这个内核参数也是需要调大的,但是它的数值与最大线程数之间有什么关系,我也不太明白,只是知道它的值是会限制创建线程个数的上限。

然后,我把 max_map_count 内核参数也设置成后 99999:

echo 99999 > /proc/sys/kernel/max_map_count 

继续跑测试线程数的程序,结果如下图:

当创建差不多 5 万个线程后,我的服务器就卡住不动了,CPU 都已经被占满了,毕竟这个是单核 CPU,所以现在是 CPU 的瓶颈了。

我只有这台服务器,如果你们有性能更强的服务器来测试的话,有兴趣的小伙伴可以去测试下。

接下来,我们换个思路测试下,把创建线程时分配的栈空间调大,比如调大为 100M,在大就会创建线程失败。

ulimit -s 1024000

设置完后,跑测试线程的程序,其结果如下:

总共创建了 26390 个线程,然后就无法继续创建了,而且该进程的虚拟内存空间已经高达 25T,要知道这台服务器的物理内存才 2G。

为什么物理内存只有 2G,进程的虚拟内存却可以使用 25T 呢?

因为虚拟内存并不是全部都映射到物理内存的,程序是有局部性的特性,也就是某一个时间只会执行部分代码,所以只需要映射这部分程序就好。

你可以从上面那个 top 的截图看到,虽然进程虚拟空间很大,但是物理内存(RES)只有使用了 400 多 M。

好了,简单总结下:

  • 32 位系统,用户态的虚拟空间只有 3G,如果创建线程时分配的栈空间是 10M,那么一个进程最多只能创建 300 个左右的线程。
  • 64 位系统,用户态的虚拟空间大到有 128T,理论上不会受虚拟内存大小的限制,而会受系统的参数或性能限制。
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