Jack Jiang

我的最新工程MobileIMSDK:http://git.oschina.net/jackjiang/MobileIMSDK
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本文由小米信息技术团队研发工程师陈刚原创,原题“当我们在谈论高并发的时候究竟在谈什么?”,为了更好的内容呈现,即时通讯网收录时有修订和改动。

1、引言

在即时通讯网社区里,多是做IM、消息推送、客服系统、音视频聊天这类实时通信方面的开发者,在涉及到即时通讯技术时聊的最多的话题就是高并发、高吞吐、海量用户。

代码还没开始写,就考虑万一哪天这IM用户量破百万、千万该怎么办的问题,是多数程序员的基本修养(虽然产品一上市就可能死翘翘,但该“高瞻远瞩”的时候,不应该偷懒,不然怎么跟老板提涨工资.....)。

在面视即时通讯相关工作的时候,高并发也是必谈问题,那到底什么是高并发?嗯,真要说出个所以然来,还真有点懵。。。

学习交流:

- 即时通讯/推送技术开发交流5群:215477170[推荐]

- 移动端IM开发入门文章:《新手入门一篇就够:从零开发移动端IM

- 开源IM框架源码:https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK

(本文同步发布于:http://www.52im.net/thread-3120-1-1.html

2、系列文章

本文是系列文章中的第7篇,总目录如下:

高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少

高性能网络编程(二):上一个10年,著名的C10K并发连接问题

高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了

高性能网络编程(四):从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索

高性能网络编程(五):一文读懂高性能网络编程中的I/O模型

高性能网络编程(六):一文读懂高性能网络编程中的线程模型

高性能网络编程(七):到底什么是高并发?一文即懂!》(本文)

高性能网络编程经典:《The C10K problem(英文)》[附件下载]

3、什么是高并发?

高并发是互联网系统架构的性能指标之一,它通常是指单位时间内系统能够同时处理的请求数。

简单点说,就是QPS(Queries per second)。

那么我们在谈论高并发的时候,究竟在谈什么东西呢?归根结底,到底什么是高并发?

别急,我们继续往下读 ....

4、高并发究竟是什么?

这里先给出结论: 

1)高并发的基本表现为单位时间内系统能够同时处理的请求数;

2)高并发的核心是对CPU资源的有效压榨。

举个例子:如果我们开发了一个叫做MD5穷举的应用,每个请求都会携带一个md5加密字符串,最终系统穷举出所有的结果,并返回原始字符串。这个时候我们的应用场景或者说应用业务是属于CPU密集型而不是IO密集型。

这个时候CPU一直在做有效计算,甚至可以把CPU利用率跑满,这时我们谈论高并发并没有任何意义。(当然,我们可以通过加机器也就是加CPU来提高并发能力,这个是一个正常猿都知道废话方案,谈论加机器没有什么意义,没有任何高并发是加机器解决不了,如果有,那说明你加的机器还不够多!)

对于大多数互联网应用来说,CPU不是也不应该是系统的瓶颈,系统的大部分时间的状况都是CPU在等I/O (硬盘/内存/网络) 的读/写操作完成。

这个时候就可能有人会说,我看系统监控的时候,内存和网络都很正常,但是CPU利用率却跑满了这是为什么?

这是一个好问题,后文我会给出实际的例子,再次强调上文说的“有效压榨”这4个字,这4个字会围绕本文的全部内容!

5、控制变量法

万事万物都是互相联系的,当我们在谈论高并发的时候,系统的每个环节应该都是需要与之相匹配的。

我们先来回顾一下一个经典C/S的HTTP请求流程:

如上图中的序号所示:

1)我们会经过DNS服务器的解析,请求到达负载均衡集群;

2)负载均衡服务器会根据配置的规则,想请求分摊到服务层。服务层也是我们的业务核心层,这里可能也会有一些RPC、MQ的一些调用等等;

3)再经过缓存层;

4)最后持久化数据;

5)返回数据给客户端。

要达到高并发,我们需要负载均衡、服务层、缓存层、持久层都是高可用、高性能的。

甚至在第5步,我们也可以通过压缩静态文件、HTTP2推送静态文件、CDN来做优化,这里的每一层我们都可以写几本书来谈优化。

本文主要讨论服务层这一块,即图红线圈出来的那部分。不再考虑讲述数据库、缓存相关的影响。

高中的知识告诉我们,这个叫控制变量法。

6、再谈并发

6.1 网络编程模型的演变历史: 

并发问题一直是服务端编程中的重点和难点问题,为了优系统的并发量,从最初的Fork进程开始,到进程池/线程池,再到epoll事件驱动(Nginx、node.js反人类回调),再到协程。

从上图中可以很明显的看出,整个演变的过程,就是对CPU有效性能压榨的过程。

什么?不明显?

6.2 那我们再谈谈上下文切换:

在谈论上下文切换之前,我们再明确两个名词的概念:

1)并行:两个事件同一时刻完成;

2)并发:两个事件在同一时间段内交替发生,从宏观上看,两个事件都发生了。

线程是操作系统调度的最小单位,进程是资源分配的最小单位。由于CPU是串行的,因此对于单核CPU来说,同一时刻一定是只有一个线程在占用CPU资源的。因此,Linux作为一个多任务(进程)系统,会频繁的发生进程/线程切换。

在每个任务运行前,CPU都需要知道从哪里加载,从哪里运行,这些信息保存在CPU寄存器和操作系统的程序计数器里面,这两样东西就叫做CPU上下文。

进程是由内核来管理和调度的,进程的切换只能发生在内核态,因此虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源,以及内核堆栈、寄存器等内核空间的状态,就叫做进程上下文。

前面说过,线程是操作系统调度的最小单位。同时线程会共享父进程的虚拟内存和全局变量等资源,因此父进程的资源加上线上自己的私有数据就叫做线程的上下文。

对于线程的上下文切换来说,如果是同一进程的线程,因为有资源共享,所以会比多进程间的切换消耗更少的资源。

现在就更容易解释了,进程和线程的切换,会产生CPU上下文切换和进程/线程上下文的切换。而这些上下文切换,都是会消耗额外的CPU的资源的。

6.3 进一步谈谈协程的上下文切换:

那么协程就不需要上下文切换了吗?需要,但是不会产生 CPU上下文切换和进程/线程上下文的切换,因为这些切换都是在同一个线程中,即用户态中的切换,你甚至可以简单的理解为,协程上下文之间的切换,就是移动了一下你程序里面的指针,CPU资源依旧属于当前线程。

需要深刻理解的,可以再深入看看Go的GMP模型

最终的效果就是协程进一步压榨了CPU的有效利用率。

7、回到开始的那个问题

这个时候就可能有人会说,我看系统监控的时候,内存和网络都很正常,但是CPU利用率却跑满了这是为什么?

注意本篇文章在谈到CPU利用率的时候,一定会加上有效两字作为定语,CPU利用率跑满,很多时候其实是做了很多低效的计算。

以"世界上最好的语言"为例。

典型PHP-FPM的CGI模式,每一个HTTP请求:

1)都会读取框架的数百个php文件;

2)都会重新建立/释放一遍MYSQL/REIDS/MQ连接;

3)都会重新动态解释编译执行PHP文件;

4)都会在不同的php-fpm进程直接不停的切换切换再切换。

php的这种CGI运行模式,根本上就决定了它在高并发上的灾难性表现。

找到问题,往往比解决问题更难。当我们理解了高并发之后,我们会发现高并发和高性能并不是编程语言限制了你,限制你的只是你的思想。

找到问题,解决问题!当我们能有效压榨CPU性能之后,能达到什么样的效果?

下面我们看看 php+Swoole的HTTP服务与Java高性能的异步框架Netty的HTTP服务之间的性能差异对比。 

8、性能对比前的准备

swoole是什么:

Swoole是一个为PHP用C和C++编写的基于事件的高性能异步&协程并行网络通信引擎。链接:https://www.swoole.com/

Netty是什么:

Netty是著名的Java高性能网络通信开源框架。 Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。官网:https://netty.io/、在线源码:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty4_1/

单机能够达到的最大TCP连接数是多少?

回忆一下计算机网络的相关知识,在传输层,每个TCP连接建立之前都会进行三次握手。

每个TCP连接由:

1)本地ip

2)本地端口;

3)远端ip;

4)远端端口。

四个属性标识组成。

TCP协议报文头如下(图片来自维基百科):

题外话:如果对TCP协议脸生的话,权威《TCP/IP详解》走起。。。

如上图所示:

1)本地端口由16位组成,因此本地端口的最多数量为 2^16 = 65535个;

2)远端端口由16位组成,因此远端端口的最多数量为 2^16 = 65535个。

同时,在linux底层的网络编程模型中,每个TCP连接,操作系统都会维护一个File descriptor(fd)文件来与之对应,而fd的数量限制,可以由ulimit -n 命令查看和修改,测试之前我们可以执行命令: ulimit -n 65536修改这个限制为65535。

因此,在不考虑硬件资源限制的情况下:

1)本地的最大HTTP连接数为: 本地最大端口数65535 * 本地ip数1 = 65535 个;

2)远端的最大HTTP连接数为:远端最大端口数65535 * 远端(客户端)ip数+∞ = 无限制~~ 。

PS:实际上操作系统会有一些保留端口占用,因此本地的连接数实际也是达不到理论值的。想要深入地探讨这个问题,本系列的第一篇文章可以详读一下:《高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》。

9、性能对比

9.1 测试准备

硬件资源:各一台docker容器、1G内存+2核CPU,如图所示: 

docker-compose编排如下:

# java8

version: "2.2"

services:

  java8:

    container_name: "java8"

    hostname: "java8"

    image: "java:8"

    volumes:

      - /home/cg/MyApp:/MyApp

    ports:

      - "5555:8080"

    environment:

      - TZ=Asia/Shanghai

    working_dir: /MyApp

    cpus: 2

    cpuset: 0,1

 

    mem_limit: 1024m

    memswap_limit: 1024m

    mem_reservation: 1024m

    tty: true

 

# php7-sw

version: "2.2"

services:

  php7-sw:

    container_name: "php7-sw"

    hostname: "php7-sw"

    image: "mileschou/swoole:7.1"

    volumes:

      - /home/cg/MyApp:/MyApp

    ports:

      - "5551:8080"

    environment:

      - TZ=Asia/Shanghai

    working_dir: /MyApp

    cpus: 2

    cpuset: 0,1

 

    mem_limit: 1024m

    memswap_limit: 1024m

    mem_reservation: 1024m

    tty: true

php代码:

<?php

useSwoole\Server;

useSwoole\Http\Response;

$http= newswoole_http_server("0.0.0.0", 8080);

$http->set([

    'worker_num'=> 2

]);

$http->on("request", function($request, Response $response) {

    //go(function () use ($response) {

        // Swoole\Coroutine::sleep(0.01);

        $response->end('Hello World');

    //});

});

 

$http->on("start", function(Server $server) {

    go(function() use($server) {

        echo"server listen on 0.0.0.0:8080 \n";

    });

});

$http->start();

Java关键代码:源代码来自 https://github.com/netty/netty

public static void main(String[] args) throws Exception {

    // Configure SSL.

    finalSslContext sslCtx;

    if(SSL) {

        SelfSignedCertificate ssc = newSelfSignedCertificate();

        sslCtx = SslContextBuilder.forServer(ssc.certificate(), ssc.privateKey()).build();

    } else{

        sslCtx = null;

    }

 

    // Configure the server.

    EventLoopGroup bossGroup = newNioEventLoopGroup(2);

    EventLoopGroup workerGroup = newNioEventLoopGroup();

    try{

        ServerBootstrap b = newServerBootstrap();

        b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024);

        b.group(bossGroup, workerGroup)

         .channel(NioServerSocketChannel.class)

         .handler(newLoggingHandler(LogLevel.INFO))

         .childHandler(newHttpHelloWorldServerInitializer(sslCtx));

 

        Channel ch = b.bind(PORT).sync().channel();

 

        System.err.println("Open your web browser and navigate to "+

                (SSL? "https": "http") + "://127.0.0.1:"+ PORT + '/');

 

        ch.closeFuture().sync();

    } finally{

        bossGroup.shutdownGracefully();

        workerGroup.shutdownGracefully();

    }

}

因为我只给了两个核心的CPU资源,所以两个服务均只开启连个work进程即可。5551端口表示PHP服务、5555端口表示Java服务。

9.2 压测工具结果对比:ApacheBench (ab)

ab命令:docker run --rm jordi/ab -k -c 1000 -n 1000000 http://10.234.3.32:5555/

在并发1000进行100万次Http请求的基准测试中的结果如下。

Java + netty 压测结果: 

PHP + swoole 压测结果:

 

ps:上图选择的是三次压测下的最佳结果。

总的来说,性能差异并不大,PHP+swoole的服务甚至比Java+netty的服务还要稍微好一点,特别是在内存占用方面,java用了600MB、php只用了30MB。

这能说明什么呢?

没有IO阻塞操作,不会发生协程切换。这个仅仅只能说明 多线程+epoll的模式下,有效的压榨CPU性能,你甚至用PHP都能写出高并发和高性能的服务。

10、性能对比——见证奇迹的时刻

上面代码其实并没有展现出协程的优秀性能,因为整个请求没有阻塞操作,但往往我们的应用会伴随着例如 文档读取、DB连接/查询 等各种阻塞操作,下面我们看看加上阻塞操作后,压测结果如何。

Java和PHP代码中,我都分别加上 sleep(0.01) //秒 的代码,模拟0.01秒的系统调用阻塞。

代码就不再重复贴上来了。

带IO阻塞操作的 Java + netty 压测结果:

大概10分钟才能跑完所有压测。。。

带IO阻塞操作的 PHP + swoole 压测结果: 

 

从结果中可以看出:基于协程的php+ swoole服务比 Java + netty服务的QPS高了6倍。

当然,这两个测试代码都是官方demo中的源代码,肯定还有很多可以优化的配置,优化之后,结果肯定也会好很多。

可以再思考下:为什么官方默认线程/进程数量不设置的更多一点呢?

进程/线程数量可不是越多越好哦,前面我们已经讨论过了,在进程/线程切换的时候,会产生额外的CPU资源花销,特别是在用户态和内核态之间切换的时候!

11、本文小结

对于上面两节的压测结果来说,我并不是针对Java,我想说的是:只要明白了高并发的核心是什么,找到这个目标,无论用什么编程语言,只要针对CPU利用率做有效的优化(连接池、守护进程、多线程、协程、select轮询、epoll事件驱动),你也能搭建出一个高并发和高性能的系统。

所以,你现在明白了,什么是高并发了吗?

思路永远比结果重要!

附录:更多精华系列文章

TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议

TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议

TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止

TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传

不为人知的网络编程(一):浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)

不为人知的网络编程(二):浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)

不为人知的网络编程(三):关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT

不为人知的网络编程(四):深入研究分析TCP的异常关闭

不为人知的网络编程(五):UDP的连接性和负载均衡

不为人知的网络编程(六):深入地理解UDP协议并用好它

不为人知的网络编程(七):如何让不可靠的UDP变的可靠?

不为人知的网络编程(八):从数据传输层深度解密HTTP

不为人知的网络编程(九):理论联系实际,全方位深入理解DNS

网络编程懒人入门(一):快速理解网络通信协议(上篇)

网络编程懒人入门(二):快速理解网络通信协议(下篇)

网络编程懒人入门(三):快速理解TCP协议一篇就够

网络编程懒人入门(四):快速理解TCP和UDP的差异

网络编程懒人入门(五):快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势

网络编程懒人入门(六):史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门

网络编程懒人入门(七):深入浅出,全面理解HTTP协议

网络编程懒人入门(八):手把手教你写基于TCP的Socket长连接

网络编程懒人入门(九):通俗讲解,有了IP地址,为何还要用MAC地址?

网络编程懒人入门(十):一泡尿的时间,快速读懂QUIC协议

网络编程懒人入门(十一):一文读懂什么是IPv6

网络编程懒人入门(十二):快速读懂Http/3协议,一篇就够!

脑残式网络编程入门(一):跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手

脑残式网络编程入门(二):我们在读写Socket时,究竟在读写什么?

脑残式网络编程入门(三):HTTP协议必知必会的一些知识

脑残式网络编程入门(四):快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)

脑残式网络编程入门(五):每天都在用的Ping命令,它到底是什么?

脑残式网络编程入门(六):什么是公网IP和内网IP?NAT转换又是什么鬼?

脑残式网络编程入门(七):面视必备,史上最通俗计算机网络分层详解

脑残式网络编程入门(八):你真的了解127.0.0.1和0.0.0.0的区别?

脑残式网络编程入门(九):面试必考,史上最通俗大小端字节序详解

IM开发者的零基础通信技术入门(一):通信交换技术的百年发展史(上)

IM开发者的零基础通信技术入门(二):通信交换技术的百年发展史(下)

IM开发者的零基础通信技术入门(三):国人通信方式的百年变迁

IM开发者的零基础通信技术入门(四):手机的演进,史上最全移动终端发展史

IM开发者的零基础通信技术入门(五):1G到5G,30年移动通信技术演进史

IM开发者的零基础通信技术入门(六):移动终端的接头人——“基站”技术

IM开发者的零基础通信技术入门(七):移动终端的千里马——“电磁波”

IM开发者的零基础通信技术入门(八):零基础,史上最强“天线”原理扫盲

IM开发者的零基础通信技术入门(九):无线通信网络的中枢——“核心网”

IM开发者的零基础通信技术入门(十):零基础,史上最强5G技术扫盲

IM开发者的零基础通信技术入门(十一):为什么WiFi信号差?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十二):上网卡顿?网络掉线?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十三):为什么手机信号差?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十四):高铁上无线上网有多难?一文即懂!

IM开发者的零基础通信技术入门(十五):理解定位技术,一篇就够

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