Ruby 多線程的潛力和弱點分析_ruby專題

Web 應用程式大多是 IO 密集型的，利用 Ruby 多進程+多執行緒模式將能大幅提升系統輸送量。其原因在於：當Ruby 某個線程處於 IO Block 狀態時，其它的線程還可以繼續執行。但由於存在 Ruby GIL (Global Interpreter Lock)，MRI Ruby 並不能真正利用多線程進行並行計算。JRuby 去除了 GIL，是真正意義的多線程，既能應付 IO Block，也能充分利用多核 CPU 加快整體運算速度。

上面說得比較抽象，下面就用例子一一加以說明。

Ruby 多線程和 IO Block

先看下面一段代碼（示範目的，沒有實際用途）：

複製代碼 代碼如下:

# File: block_io1.rb

def func1
  puts "sleep 3 seconds in func1\n"
  sleep(3)
end

def func2
  puts "sleep 2 seconds in func2\n"
  sleep(2)
end

def func3
  puts "sleep 5 seconds in func3\n"
  sleep(5)
end

func1
func2
func3

代碼很簡單，3 個方法，用 sleep 類比耗時的 IO 操作。 運行代碼（環境 MRI Ruby 1.9.3） 結果是：

複製代碼 代碼如下:

$ time ruby block_io1.rb
sleep 3 seconds in func1
sleep 2 seconds in func2
sleep 5 seconds in func3

real  0m11.681s
user  0m3.086s
sys 0m0.152s

比較慢，時間都耗在 sleep 上了，總共花了 10 多秒。

採用多線程的方式，改寫如下：

複製代碼 代碼如下:

# File: block_io2.rb

def func1
  puts "sleep 3 seconds in func1\n"
  sleep(3)
end

def func2
  puts "sleep 2 seconds in func2\n"
  sleep(2)
end

def func3
  puts "sleep 5 seconds in func3\n"
  sleep(5)
end

threads = []
threads << Thread.new { func1 }
threads << Thread.new { func2 }
threads << Thread.new { func3 }

threads.each { |t| t.join }

啟動並執行結果是：

複製代碼 代碼如下:

$ time ruby block_io2.rb
sleep 3 seconds in func1
sleep 2 seconds in func2
sleep 5 seconds in func3

real  0m6.543s
user  0m3.169s
sys 0m0.147s

總共花了 6 秒多，明顯快了許多，只比最長的 sleep 5 秒多了一點。

上面的例子說明，Ruby 的多線程能夠應付 IO Block，當某個線程處於 IO Block 狀態時，其它的線程還可以繼續執行，從而使整體處理時間大幅縮短。

Ruby GIL 的影響

還是先看一段代碼（示範目的）：

複製代碼 代碼如下:

# File: gil1.rb

require 'securerandom'
require 'zlib'

data = SecureRandom.hex(4096000)

16.times { Zlib::Deflate.deflate(data) }

代碼先隨機產生一些資料，然後對其進行壓縮，壓縮是非常耗 CPU 的，在我機器(雙核 CPU, MRI Ruby 1.9.3)運行結果如下：

複製代碼 代碼如下:

$ time ruby gil1.rb

real  0m8.572s
user  0m8.359s
sys 0m0.102s

更改為多線程版本，代碼如下：

複製代碼 代碼如下:

# File: gil2.rb

require 'securerandom'
require 'zlib'

data = SecureRandom.hex(4096000)

threads = []
16.times do
  threads << Thread.new { Zlib::Deflate.deflate(data) }
end

threads.each {|t| t.join}

多線程的版本運行結果如下：

複製代碼 代碼如下:

$ time ruby gil2.rb

real  0m8.616s
user  0m8.377s
sys 0m0.211s

從結果可以看出，由於 MRI Ruby GIL 的存在，Ruby 多線程並不能重複利用多核 CPU，使用多線程後整體所花時間並不縮短，反而由於線程切換的影響，所花時間還略有增加。

JRuby 去除了 GIL

使用 JRuby (我的機器上是 JRuby 1.7.0)運行 gil1.rb 和 gil2.rb，得到很不一樣的結果。

複製代碼 代碼如下:

$ time jruby gil1.rb

real  0m12.225s
user  0m14.060s
sys 0m0.615s

複製代碼 代碼如下:

$ time jruby gil2.rb

real  0m7.584s
user  0m22.822s
sys 0m0.819s

可以看到，JRuby 使用多線程時，整體已耗用時間有明顯縮短（7.58 比 12.22），這是由於 JRuby 去除了 GIL，可以真正並行的執行多線程，充分利用了多核 CPU。

總結：Ruby 多線程可以在某個線程 IO Block 時，依然能夠執行其它線程，從而降低 IO Block 對整體的影響，但由於 MRI Ruby GIL 的存在，MRI Ruby 並不是真正的並存執行，JRuby 去除了 GIL，可以做到真正的多線程並存執行。