高并發(fā)高性能服務(wù)器是怎么實(shí)現(xiàn)的

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)高并發(fā)高性能服務(wù)器是怎么實(shí)現(xiàn)的，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

說簡單也簡單，不就是一個(gè)用戶請求嗎?服務(wù)器根據(jù)請求從數(shù)據(jù)庫中撈出這篇文章，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)回去。

說復(fù)雜也復(fù)雜，服務(wù)器是如何并行處理成千上萬個(gè)用戶請求呢?這里面涉及到哪些技術(shù)呢?

多進(jìn)程

歷史上最早出現(xiàn)也是最簡單的一種并行處理多個(gè)請求的方法就是利用多進(jìn)程。

比如在Linux世界中，我們可以使用fork、exec等系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程，我們可以在父進(jìn)程中接收用戶的連接請求，然后創(chuàng)建子進(jìn)程去處理用戶請求，就像這樣：

這種方法的優(yōu)點(diǎn)就在于：

1. 編程簡單，非常容易理解

2. 由于各個(gè)進(jìn)程的地址空間是相互隔離的，因此一個(gè)進(jìn)程崩潰后并不會(huì)影響其它進(jìn)程

3. 充分利用多核資源

多進(jìn)程并行處理的優(yōu)點(diǎn)很明顯，但是缺點(diǎn)同樣明顯：

1. 各個(gè)進(jìn)程地址空間相互隔離，這一優(yōu)點(diǎn)也會(huì)變成缺點(diǎn)，那就是進(jìn)程間要想通信就會(huì)變得比較困難，你需要借助進(jìn)程間通信(IPC，interprocess  communications)機(jī)制，想一想你現(xiàn)在知道哪些進(jìn)程間通信機(jī)制，然后讓你用代碼實(shí)現(xiàn)呢?顯然，進(jìn)程間通信編程相對復(fù)雜，而且性能也是一大問題

2. 我們知道創(chuàng)建進(jìn)程開銷是比線程要大的，頻繁的創(chuàng)建銷毀進(jìn)程無疑會(huì)加重系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。

幸好，除了進(jìn)程，我們還有線程。

多線程

不是創(chuàng)建進(jìn)程開銷大嗎?不是進(jìn)程間通信困難嗎?這些對于線程來說統(tǒng)統(tǒng)不是問題。

什么?你還不了解線程，趕緊看看這篇《看完這篇還不懂線程與線程池你來打我》，這里詳細(xì)講解了線程這個(gè)概念是怎么來的。

由于線程共享進(jìn)程地址空間，因此線程間通信天然不需要借助任何通信機(jī)制，直接讀取內(nèi)存就好了。

線程創(chuàng)建銷毀的開銷也變小了，要知道線程就像寄居蟹一樣，房子(地址空間)都是進(jìn)程的，自己只是一個(gè)租客，因此非常的輕量級，創(chuàng)建銷毀的開銷也非常小。

我們可以為每個(gè)請求創(chuàng)建一個(gè)線程，即使一個(gè)線程因執(zhí)行I/O操作——比如讀取數(shù)據(jù)庫等——被阻塞暫停運(yùn)行也不會(huì)影響到其它線程，就像這樣：

但線程就是完美的、包治百病的嗎，顯然，計(jì)算機(jī)世界從來沒有那么簡單。

由于線程共享進(jìn)程地址空間，這在為線程間通信帶來便利的同時(shí)也帶來了無盡的麻煩。

正是由于線程間共享地址空間，因此一個(gè)線程崩潰會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程崩潰退出，同時(shí)線程間通信簡直太簡單了，簡單到線程間通信只需要直接讀取內(nèi)存就可以了，也簡單到出現(xiàn)問題也極其容易，死鎖、線程間的同步互斥、等等，這些極容易產(chǎn)生bug，無數(shù)程序員寶貴的時(shí)間就有相當(dāng)一部分用來解決多線程帶來的無盡問題。

雖然線程也有缺點(diǎn)，但是相比多進(jìn)程來說，線程更有優(yōu)勢，但想單純的利用多線程就能解決高并發(fā)問題也是不切實(shí)際的。

因?yàn)殡m然線程創(chuàng)建開銷相比進(jìn)程小，但依然也是有開銷的，對于動(dòng)輒數(shù)萬數(shù)十萬的鏈接的高并發(fā)服務(wù)器來說，創(chuàng)建數(shù)萬個(gè)線程會(huì)有性能問題，這包括內(nèi)存占用、線程間切換，也就是調(diào)度的開銷。

因此，我們需要進(jìn)一步思考。

Event Loop：事件驅(qū)動(dòng)

到目前為止，我們提到“并行”二字就會(huì)想到進(jìn)程、線程。但是，并行編程只能依賴這兩項(xiàng)技術(shù)嗎，并不是這樣的。

還有另一項(xiàng)并行技術(shù)廣泛應(yīng)用在GUI編程以及服務(wù)器編程中，這就是近幾年非常流行的事件驅(qū)動(dòng)編程，event-based concurrency。

大家不要覺得這是一項(xiàng)很難懂的技術(shù)，實(shí)際上事件驅(qū)動(dòng)編程原理上非常簡單。

這一技術(shù)需要兩種原料：

1. event

2. 處理event的函數(shù)，這一函數(shù)通常被稱為event handler

剩下的就簡單了：

你只需要安靜的等待event到來就好，當(dāng)event到來之后，檢查一下event的類型，并根據(jù)該類型找到對應(yīng)的event處理函數(shù)，也就是event  handler，然后直接調(diào)用該event handler就好了。

That's it !

以上就是事件驅(qū)動(dòng)編程的全部內(nèi)容，是不是很簡單!

從上面的討論可以看到，我們需要不斷的接收event然后處理event，因此我們需要一個(gè)循環(huán)(用while或者for循環(huán)都可以)，這個(gè)循環(huán)被稱為Event  loop。

使用偽代碼表示就是這樣：

while(true) {     event = getEvent();     handler(event); }

Event loop中要做的事情其實(shí)是非常簡單的，只需要等待event的帶來，然后調(diào)用相應(yīng)的event處理函數(shù)即可。

注意，這段代碼只需要運(yùn)行在一個(gè)線程或者進(jìn)程中，只需要這一個(gè)event loop就可以同時(shí)處理多個(gè)用戶請求。

有的同學(xué)可以依然不明白為什么這樣一個(gè)event loop可以同時(shí)處理多個(gè)請求呢?

原因很簡單，對于web服務(wù)器來說，處理一個(gè)用戶請求時(shí)大部分時(shí)間其實(shí)都用在了I/O操作上，像數(shù)據(jù)庫讀寫、文件讀寫、網(wǎng)絡(luò)讀寫等。當(dāng)一個(gè)請求到來，簡單處理之后可能就需要查詢數(shù)據(jù)庫等I/O操作，我們知道I/O是非常慢的，當(dāng)發(fā)起I/O后我們大可以不用等待該I/O操作完成就可以繼續(xù)處理接下來的用戶請求。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白了吧，雖然上一個(gè)用戶請求還沒有處理完我們其實(shí)就可以處理下一個(gè)用戶請求了，這也是并行，這種并行就可以用事件驅(qū)動(dòng)編程來處理。

這就好比餐廳服務(wù)員一樣，一個(gè)服務(wù)員不可能一直等上一個(gè)顧客下單、上菜、吃飯、買單之后才接待下一個(gè)顧客，服務(wù)員是怎么做的呢?當(dāng)一個(gè)顧客下完單后直接處理下一個(gè)顧客，當(dāng)顧客吃完飯后會(huì)自己回來買單結(jié)賬的。

看到了吧，同樣是一個(gè)服務(wù)員也可以同時(shí)處理多個(gè)顧客，這個(gè)服務(wù)員就相當(dāng)于這里的Event loop，即使這個(gè)event  loop只運(yùn)行在一個(gè)線程(進(jìn)程)中也可以同時(shí)處理多個(gè)用戶請求。

相信你已經(jīng)對事件驅(qū)動(dòng)編程有一個(gè)清晰的認(rèn)知了，那么接下來的問題就是事件驅(qū)動(dòng)、事件驅(qū)動(dòng)，那么這個(gè)事件也就是event該怎么獲取呢?

事件來源：IO多路復(fù)用

在《終于明白了，一文徹底理解I/O多路復(fù)用》這篇文章中我們知道，在Linux/Unix世界中一切皆文件，而我們的程序都是通過文件描述符來進(jìn)行I/O操作的，當(dāng)然對于socket也不例外，那我們該如何同時(shí)處理多個(gè)文件描述符呢?

IO多路復(fù)用技術(shù)正是用來解決這一問題的，通過IO多路復(fù)用技術(shù)，我們一次可以監(jiān)控多個(gè)文件描述，當(dāng)某個(gè)文件(socket)可讀或者可寫的時(shí)候我們就能得到通知啦。

這樣IO多路復(fù)用技術(shù)就成了event loop的原材料供應(yīng)商，源源不斷的給我們提供各種event，這樣關(guān)于event來源的問題就解決了。

當(dāng)然關(guān)于IO多路復(fù)用技術(shù)的詳細(xì)講解請參見《終于明白了，一文徹底理解I/O多路復(fù)用》。

至此，關(guān)于利用事件驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程的所有問題都解決了嗎?event的來源問題解決了，當(dāng)?shù)玫絜vent后調(diào)用相應(yīng)的handler，看上去大功告成了。

想一想還有沒有其它問題?

問題：阻塞式IO

現(xiàn)在，我們可以使用一個(gè)線程(進(jìn)程)就能基于事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行并行編程，再也沒有了多線程中讓人惱火的各種鎖、同步互斥、死鎖等問題了。

但是，計(jì)算機(jī)科學(xué)中從來沒有出現(xiàn)過一種能解決所有問題的技術(shù)，現(xiàn)在沒有，在可預(yù)期的將來也不會(huì)有。

那上述方法有什么問題嗎?

不要忘了，我們event loop是運(yùn)行在一個(gè)線程(進(jìn)程)，這雖然解決了多線程問題，但是如果在處理某個(gè)event時(shí)需要進(jìn)行IO操作會(huì)怎么樣呢?

在《讀取文件時(shí)，程序經(jīng)歷了什么》一文中，我們講解了最常用的文件讀取在底層是如何實(shí)現(xiàn)的，程序員最常用的這種IO方式被稱為阻塞式IO，也就是說，當(dāng)我們進(jìn)行IO操作，比如讀取文件時(shí)，如果文件沒有讀取完成，那么我們的程序(線程)會(huì)被阻塞而暫停執(zhí)行，這在多線程中不是問題，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)還可以調(diào)度其它線程。

但是在單線程的event loop中是有問題的，原因就在于當(dāng)我們在event loop中執(zhí)行阻塞式IO操作時(shí)整個(gè)線程(event  loop)會(huì)被暫停運(yùn)行，這時(shí)操作系統(tǒng)將沒有其它線程可以調(diào)度，因?yàn)橄到y(tǒng)中只有一個(gè)event loop在處理用戶請求，這樣當(dāng)event  loop線程被阻塞暫停運(yùn)行時(shí)所有用戶請求都沒有辦法被處理，你能想象當(dāng)服務(wù)器在處理其它用戶請求讀取數(shù)據(jù)庫導(dǎo)致你的請求被暫停嗎?

因此，在基于事件驅(qū)動(dòng)編程時(shí)有一條注意事項(xiàng)，那就是不允許發(fā)起阻塞式IO。

有的同學(xué)可能會(huì)問，如果不能發(fā)起阻塞式IO的話，那么該怎樣進(jìn)行IO操作呢?

有阻塞式IO，就有非阻塞式IO。

非阻塞IO

為克服阻塞式IO所帶來的問題，現(xiàn)代操作系統(tǒng)開始提供一種新的發(fā)起IO請求的方法，這種方法就是異步IO，對應(yīng)的，阻塞式IO就是同步IO，關(guān)于同步和異步這兩個(gè)概念可以參考《從小白到高手，你需要理解同步與異步》。

異步IO時(shí)，假設(shè)調(diào)用aio_read函數(shù)(具體的異步IO  API請參考具體的操作系統(tǒng)平臺(tái))，也就是異步讀取，當(dāng)我們調(diào)用該函數(shù)后可以立即返回，并繼續(xù)其它事情，雖然此時(shí)該文件可能還沒有被讀取，這樣就不會(huì)阻塞調(diào)用線程了。此外，操作系統(tǒng)還會(huì)提供其它方法供調(diào)用線程來檢測IO操作是否完成。

就這樣，在操作系統(tǒng)的幫助下IO的阻塞調(diào)用問題也解決了。

基于事件編程的難點(diǎn)

雖然有異步IO來解決event loop可能被阻塞的問題，但是基于事件編程依然是困難的。

首先，我們提到，event loop是運(yùn)行在一個(gè)線程中的，顯然一個(gè)線程是沒有辦法充分利用多核資源的，有的同學(xué)可能會(huì)說那就創(chuàng)建多個(gè)event  loop實(shí)例不就可以了，這樣就有多個(gè)event loop線程了，但是這樣一來多線程問題又會(huì)出現(xiàn)。

另一點(diǎn)在于編程方面，在《從小白到高手，你需要理解同步與異步》這篇文章中我們講到過，異步編程需要結(jié)合回調(diào)函數(shù)(關(guān)于回調(diào)函數(shù)請才參考《程序員應(yīng)如何徹底理解回調(diào)函數(shù)》)，這種編程方式需要把處理邏輯分為兩部分，一部分調(diào)用方自己處理，另一部分在回調(diào)函數(shù)中處理，這一編程方式的改變加重了程序員在理解上的負(fù)擔(dān)，基于事件編程的項(xiàng)目后期會(huì)很難擴(kuò)展以及維護(hù)。

那么有沒有更好的方法呢?

要找到更好的方法，我們需要解決問題的本質(zhì)，那么這個(gè)本質(zhì)問題是什么呢?

更好的方法

為什么我們要使用異步這種難以理解的方式編程呢?

是因?yàn)樽枞骄幊屉m然容易理解但會(huì)導(dǎo)致線程被阻塞而暫停運(yùn)行。

那么聰明的你一定會(huì)問了，有沒有一種方法既能結(jié)合同步IO的簡單理解又不會(huì)因同步調(diào)用導(dǎo)致線程被阻塞呢?

答案是肯定的，這就是用戶態(tài)線程，user level thread，也就是大名鼎鼎的協(xié)程，關(guān)于協(xié)程值得單獨(dú)拿出一篇文章來講解，就在下一篇。

雖然基于事件編程有這樣那樣的缺點(diǎn)，但是在當(dāng)今的高性能高并發(fā)服務(wù)器上基于事件編程方式依然非常流行，但已經(jīng)不是純粹的基于單一線程的事件驅(qū)動(dòng)了，而是event  loop + multi thread + user level thread。

關(guān)于高并發(fā)高性能服務(wù)器是怎么實(shí)現(xiàn)的就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。