經(jīng)典游戲服務(wù)器端架構(gòu)實例分析

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架構(gòu)的分析模型

一. 討論的背景

現(xiàn)代電子游戲，基本上都會使用一定的網(wǎng)絡(luò)功能。從驗證正版，到多人交互等等，都需要架設(shè)一些專用的服務(wù)器，以及編寫在服務(wù)器上的程序。因此，游戲服務(wù)器端軟件的架構(gòu)，本質(zhì)上也是游戲服務(wù)器這個特定領(lǐng)域的軟件架構(gòu)。

軟件架構(gòu)的分析，可以通過不同的層面入手。比較經(jīng)典的軟件架構(gòu)描述，包含了以下幾種架構(gòu)：

• 運行時架構(gòu)——這種架構(gòu)關(guān)心如何解決運行效率問題，通常以程序進程圖、數(shù)據(jù)流圖為表達方式。在大多數(shù)開發(fā)團隊的架構(gòu)設(shè)計文檔中，都會包含運行時架構(gòu)，說明這是一種非常重要的設(shè)計方面。這種架構(gòu)也會顯著的影響軟件代碼的開發(fā)效率和部署效率。本文主要討論的是這種架構(gòu)。

• 邏輯架構(gòu)——這種架構(gòu)關(guān)心軟件代碼之間的關(guān)系，主要目的是為了提高軟件應(yīng)對需求變更的便利性。人們往往會以類圖、模塊圖來表達這種架構(gòu)。這種架構(gòu)設(shè)計在需要長期運營和重用性高的項目中，有至關(guān)重要的作用。因為軟件的可擴展性和可重用度基本是由這個方面的設(shè)計決定的。特別是在游戲領(lǐng)域，需求變更的頻繁程度，在多個互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域里可以說是最高的。本文會涉及一部分這種架構(gòu)的內(nèi)容，但不是本文的討論重點。

• 物理架構(gòu)——關(guān)心軟件如何部署，以機房、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主要描述對象。

• 數(shù)據(jù)架構(gòu)——關(guān)心軟件涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于數(shù)據(jù)分析挖掘，多系統(tǒng)協(xié)作有較大的意義。

• 開發(fā)架構(gòu)——關(guān)心軟件開發(fā)庫之間的關(guān)系，以及版本管理、開發(fā)工具、編譯構(gòu)建的設(shè)計，主要為了提高多人協(xié)作開發(fā)，以及復(fù)雜軟件庫引用的開發(fā)效率?，F(xiàn)在流行的集成構(gòu)建系統(tǒng)就是一種開發(fā)架構(gòu)的理論。

二. 游戲服務(wù)器架構(gòu)的要素

服務(wù)器端軟件的本質(zhì)，是一個會長期運行的程序，并且它還要服務(wù)于多個不定時，不定地點的網(wǎng)絡(luò)請求。所以這類軟件的特點是要非常關(guān)注穩(wěn)定性和性能。這類程序如果需要多個協(xié)作來提高承載能力，則還要關(guān)注部署和擴容的便利性；同時，還需要考慮如何實現(xiàn)某種程度容災(zāi)需求。由于多進程協(xié)同工作，也帶來了開發(fā)的復(fù)雜度，這也是需要關(guān)注的問題。

功能約束，是架構(gòu)設(shè)計決定性因素。一個萬能的架構(gòu)，必定是無能的架構(gòu)。一個優(yōu)秀的架構(gòu)，則是正好把握了對應(yīng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的核心功能產(chǎn)生的。游戲領(lǐng)域的功能特征，于服務(wù)器端系統(tǒng)來說，非常明顯的表現(xiàn)為幾個功能的需求：

• 對于游戲數(shù)據(jù)和玩家數(shù)據(jù)的存儲

• 對玩家客戶端進行數(shù)據(jù)廣播

• 把一部分游戲邏輯在服務(wù)器上運算，便于游戲更新內(nèi)容，以及防止外掛。

針對以上的需求特征，在服務(wù)器端軟件開發(fā)上，我們往往會關(guān)注軟件對電腦內(nèi)存和CPU的使用，以求在特定業(yè)務(wù)代碼下，能盡量滿足承載量和響應(yīng)延遲的需求。最基本的做法就是“時空轉(zhuǎn)換”，用各種緩存的方式來開發(fā)程序，以求在CPU時間和內(nèi)存空間上取得合適的平衡。在CPU和內(nèi)存之上，是另外一個約束因素：網(wǎng)卡。網(wǎng)絡(luò)帶寬直接限制了服務(wù)器的處理能力，所以游戲服務(wù)器架構(gòu)也必定要考慮這個因素。

對于游戲服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計來說，最重要的是利用游戲產(chǎn)品的需求約束，從而優(yōu)化出對此特定功能最合適的“時-空”架構(gòu)。并且最小化對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用。

[圖-游戲服務(wù)器的分析模型]

三. 核心的三個架構(gòu)

基于上述的分析模型，對于游戲服務(wù)端架構(gòu)，最重要的三個部分就是，如何使用CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡的設(shè)計：

• 內(nèi)存架構(gòu)：主要決定服務(wù)器如何使用內(nèi)存，以保證盡量少的內(nèi)存泄漏的可能，以及最大化利用服務(wù)器端內(nèi)存來提高承載量，降低服務(wù)延遲。

• 調(diào)度架構(gòu)：設(shè)計如何使用進程、線程、協(xié)程這些對于CPU調(diào)度的方案。選擇同步、異步等不同的編程模型，以提高服務(wù)器的穩(wěn)定性和承載量。同時也要考慮對于開發(fā)帶來的復(fù)雜度問題?，F(xiàn)在出現(xiàn)的虛擬化技術(shù)，如虛擬機、docker、云服務(wù)器等，都為調(diào)度架構(gòu)提供了更多的選擇。

• 通信模式：決定使用何種方式通訊。網(wǎng)絡(luò)通訊包含有傳輸層的選擇，如TCP/UDP；據(jù)表達層的選擇，如定義協(xié)議；以及應(yīng)用層的接口設(shè)計，如消息隊列、事件分發(fā)、遠程調(diào)用等。

本文的討論，也主要是集中于對以上三個架構(gòu)的分析。

四. 游戲服務(wù)器模型的進化歷程

最早的游戲服務(wù)器是比較簡單的，如UO《網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)世紀》的服務(wù)端一張3.5寸軟盤就能存下?；旧现皇且粋€廣播和存儲文件的服務(wù)器程序。后來由于國內(nèi)的外掛、盜版流行，各游戲廠商開始以MUD為模型，建立主要運行邏輯在服務(wù)器端的架構(gòu)。這種架構(gòu)在MMORPG類產(chǎn)品的不斷更新中發(fā)揚光大，從而出現(xiàn)了以地圖、視野等分布要素設(shè)計的分布式游戲服務(wù)器。而在另外一個領(lǐng)域，休閑游戲，天然的需要集中超高的在線用戶，所以全區(qū)型架構(gòu)開始出現(xiàn)?，F(xiàn)代的游戲服務(wù)器架構(gòu)，基本上都希望能結(jié)合承載量和擴展性的有點來設(shè)計，從而形成了更加豐富多樣的形態(tài)。
本文的討論主要是選取這些比較典型的游戲服務(wù)器模型，分析其底層各種選擇的優(yōu)點和缺點，希望能探討出更具廣泛性，更高開發(fā)效率的服務(wù)器模型。

分服模型

一. 模型描述

分服模型是游戲服務(wù)器中最典型，也是歷久最悠久的模型。其特征是游戲服務(wù)器是一個個單獨的世界。每個服務(wù)器的帳號是獨立的，而且只用同一服務(wù)器的帳號才能產(chǎn)生線上交互。在早期服務(wù)器的承載量達到上限的時候，游戲開發(fā)者就通過架設(shè)更多的服務(wù)器來解決。這樣提供了很多個游戲的“平行世界”，讓游戲中的人人之間的比較，產(chǎn)生了更多的空間。所以后來以服務(wù)器的開放、合并形成了一套成熟的運營手段。一個技術(shù)上的選擇最后導(dǎo)致了游戲運營方式的模式，是一個非常有趣的現(xiàn)象。

[圖-單進程調(diào)度模型]

• 同步-動態(tài)多線程：每接收一個用戶會話，就建立一個線程。這個用戶會話往往就是由客戶端的TCP連接來代表，這樣每次從socket中調(diào)用讀取或?qū)懗鰯?shù)據(jù)包的時候，都可以使用阻塞模式，編碼直觀而簡單。有多少個游戲客戶端的連接，就有多少個線程。但是這個方案也有很明顯的缺點，就是服務(wù)器容易產(chǎn)生大量的線程，這對于內(nèi)存占用不好控制，同時線程切換也會造成CPU的性能損失。更重要的多線程下對同一塊數(shù)據(jù)的讀寫，需要處理鎖的問題，這可能讓代碼變的非常復(fù)雜，造成各種死鎖的BUG，影響服務(wù)器的穩(wěn)定性。

• 同步-多線程池：為了節(jié)約線程的建立和釋放，建立了一個線程池。每個用戶會話建立的時候，向線程池申請?zhí)幚砭€程的使用。在用戶會話結(jié)束的時候，線程不退出，而是向線程池“釋放”對此線程的使用。線程池能很好的控制線程數(shù)量，可以防止用戶暴漲下對服務(wù)器造成的連接沖擊，形成一種排隊進入的機制。但是線程池本身的實現(xiàn)比較復(fù)雜，而“申請”、“施放”線程的調(diào)用規(guī)則需要嚴格遵守，否則會出現(xiàn)線程泄露，耗盡線程池。

• 異步-單線程/協(xié)程：在游戲行業(yè)中，采用Linux的epoll作為網(wǎng)絡(luò)API，以期得到高性能，是一個常見的選擇。游戲服務(wù)器進程中最常見的阻塞調(diào)用就是網(wǎng)路IO，因此在采用epoll之后，整個服務(wù)器進程就可能變得完全沒有阻塞調(diào)用，這樣只需要一個線程即可。這徹底解決了多線程的鎖問題，而且也簡化了對于并發(fā)編程的難度。但是，“所有調(diào)用都不得阻塞”的約束，并不是那么容易遵守的，比如有些數(shù)據(jù)庫的API就是阻塞的；另外單進程單線程只能使用一個CPU，在現(xiàn)在多核多CPU的服務(wù)器情況下，不能充分利用CPU資源。異步編程由于是基于“回調(diào)”的方式，會導(dǎo)致要定義很多回調(diào)函數(shù)，并且把一個流程里面的邏輯，分別寫在多個不同的回調(diào)函數(shù)里面，對于代碼閱讀非常不理?！槍@種編碼問題，協(xié)程(Coroutine)能較好的幫忙，所以現(xiàn)在比較流行使用異步+協(xié)程的組合。不管怎樣，異步-單線程模型由于性能好，無需并發(fā)思維，依然是現(xiàn)在很多團隊的首選。

• 異步-固定多線程：這是基于異步-單線程模型進化出來的一種模型。這種模型一般有三類線程：主線程、IO線程、邏輯線程。這些線程都在內(nèi)部以全異步的方式運行，而他們之間通過無鎖消息隊列通信。

四. 進程間通訊手段

在多進程的系統(tǒng)中，進程間如何通訊是一個至關(guān)重要的問題，其性能和使用便利性，直接決定了多進程系統(tǒng)的技術(shù)效能。

1. Socket通訊
   TCP/IP協(xié)議是一種通用的、跨語言、跨操作系統(tǒng)、跨機器的通訊方案。這也是開發(fā)者首先想到的一種手段。在使用上，有使用TCP和UDP兩個選擇。一般我們傾向在游戲系統(tǒng)中使用TCP，因為游戲數(shù)據(jù)的邏輯相關(guān)性比較強，UDP由于可能存在的丟包和重發(fā)處理，在游戲邏輯上的處理一般比較復(fù)雜。由于多進程系統(tǒng)的進程間網(wǎng)絡(luò)一般情況較好，UDP的性能優(yōu)勢不會特別明顯。

   要使用TCP做跨進程通訊，首先就是要寫一個TCP Server，做端口監(jiān)聽和連接管理；其次需要對可能用到的通信內(nèi)容做協(xié)議定制；最后是要編寫編解碼和業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)發(fā)的邏輯。這些都完成了之后，才能真正的開始用來作為進程間通信手段。

   使用Socket編程的好處是通用性廣，你可以用來實現(xiàn)任何的功能，和任何的進程進行協(xié)作。但是其缺點也異常明顯，就是開發(fā)量很大。雖然現(xiàn)在有一些開源組件，可以幫你簡化Socket Server的編寫工作，簡化連接管理和消息分發(fā)的處理，但是選擇目標建立連接、定制協(xié)議編解碼這兩個工作往往還是要自己去做。游戲的特點是業(yè)務(wù)邏輯變化很多，導(dǎo)致協(xié)議修改的工作量非常大。因此我們除了直接使用TCP/IP socket以外，還有很多其他的方案可以嘗試。
   
   [圖-消息隊列]

   需要注意的是，有些開發(fā)者缺乏經(jīng)驗，使用了數(shù)據(jù)庫，如MySQL，或者是NFS這類運行效率比較低的媒介作為隊列的存儲者。這在功能上雖然可以行得通，但是操作一頻繁，就難以發(fā)揮作用了。如以前有一些手機短信應(yīng)用系統(tǒng)，就用MySQL來存儲“待發(fā)送”的短信。

   消息隊列雖然非常好用，但是我們還是要自己對消息進行編解碼，并且分發(fā)給所需要的處理程序。在消息到處理程序之間，存在著一個轉(zhuǎn)換和對應(yīng)的工作。由于游戲邏輯的繁多，這種對應(yīng)工作完全靠手工編碼，是比較容易出錯的。所以這里還有進一步的改進空間。

2. 遠程調(diào)用
   有一些開發(fā)者會希望，在編碼的時候完全屏蔽是否跨進程在進行調(diào)用，完全可以好像調(diào)用本地函數(shù)或者本地對象的方法一樣。于是誕生了很多遠程調(diào)用的方案，最經(jīng)典的有Corba方案，它試圖實現(xiàn)能在不同語言的代碼直接，實現(xiàn)遠程調(diào)用。JAVA虛擬機自帶了RMI方案的支持，在JAVA進程之間遠程調(diào)用是比較方便的。在互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，還有各種Web Service方案，以HTTP協(xié)議作為承載，WSDL作為接口描述。

   使用遠程調(diào)用的方案，最大好處是開發(fā)的便捷，你只需要寫一個函數(shù)，就能在任何一個其他進程上對此函數(shù)進行調(diào)用。這對游戲開發(fā)來說，就解決了多進程方案最大的一個開發(fā)效率問題。但是這種便捷是有成本的：一般來說，遠程調(diào)用的性能會稍微差一點，因為需要用一套統(tǒng)一的編解碼方案。如果你使用的是C/C++這類靜態(tài)語言，還需要使用一種IDL語言來先描述這種遠程函數(shù)的接口。但是這些困難帶來的好處，在游戲開發(fā)領(lǐng)域還是非常值得的。

   
   [圖-服務(wù)器狀態(tài)管理]

   盡管用簡單的目錄服務(wù)器可以實現(xiàn)大部分容災(zāi)和擴容的需求，但是如果被訪問進程的內(nèi)存中有數(shù)據(jù)存在，那么問題就比較復(fù)雜了。對于容災(zāi)來說，新的進程必須要有辦法重建那個“失效”了的進程內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，才可能完成容災(zāi)功能；對于擴容功能來說，新加入的進程，也必須能把需要的數(shù)據(jù)載入到自己的內(nèi)存中才行，而這些數(shù)據(jù)，可能已經(jīng)存在于其他平行的進程中，如何把這部分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過來，是一個比較耗費性能和需要編寫相當多代碼的工作?！砸话阄覀兿矚g對“無狀態(tài)”的進程來做擴容和容災(zāi)。

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