一、什么是高并發(fā)

高并發(fā)(High Concurrency)是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計保證系統(tǒng)能夠同時并行處理很多請求。

高并發(fā)相關(guān)常用的一些指標有響應(yīng)時間(Response Time)，吞吐量(Throughput)，每秒查詢率QPS(Query Per Second)，并發(fā)用戶數(shù)等。

• 響應(yīng)時間：系統(tǒng)對請求做出響應(yīng)的時間。例如系統(tǒng)處理一個HTTP請求需要200ms，這個200ms就是系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
• 吞吐量：單位時間內(nèi)處理的請求數(shù)量。
• QPS：每秒響應(yīng)請求數(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，這個指標和吞吐量區(qū)分的沒有這么明顯。
• 并發(fā)用戶數(shù)：同時承載正常使用系統(tǒng)功能的用戶數(shù)量。例如一個即時通訊系統(tǒng)，同時在線量一定程度上代表了系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)。

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二、如何提升系統(tǒng)的并發(fā)能力

互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計，提高系統(tǒng)并發(fā)能力的方式，方法論上主要有兩種：垂直擴展(Scale Up)與水平擴展(Scale Out)。

垂直擴展：提升單機處理能力。垂直擴展的方式又有兩種：

(1)增強單機硬件性能，例如：增加CPU核數(shù)如32核，升級更好的網(wǎng)卡如萬兆，升級更好的硬盤如SSD，擴充硬盤容量如2T，擴充系統(tǒng)內(nèi)存如128G;

(2)提升單機架構(gòu)性能，例如：使用Cache來減少IO次數(shù)，使用異步來增加單服務(wù)吞吐量，使用無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來減少響應(yīng)時間;

在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展非常迅猛的早期，如果預(yù)算不是問題，強烈建議使用“增強單機硬件性能”的方式提升系統(tǒng)并發(fā)能力，因為這個階段，公司的戰(zhàn)略往往是發(fā)展業(yè)務(wù)搶時間，而“增強單機硬件性能”往往是最快的方法。

不管是提升單機硬件性能，還是提升單機架構(gòu)性能，都有一個致命的不足：單機性能總是有極限的。所以互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計高并發(fā)***解決方案還是水平擴展。

水平擴展：只要增加服務(wù)器數(shù)量，就能線性擴充系統(tǒng)性能。水平擴展對系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計是有要求的，如何在架構(gòu)各層進行可水平擴展的設(shè)計，以及互聯(lián)網(wǎng)公司架構(gòu)各層常見的水平擴展實踐，是本文重點討論的內(nèi)容。

三、常見的互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)

常見互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)如上，分為：

(1)客戶端層：典型調(diào)用方是瀏覽器browser或者手機應(yīng)用APP

(2)反向代理層：系統(tǒng)入口，反向代理

(3)站點應(yīng)用層：實現(xiàn)核心應(yīng)用邏輯，返回html或者json

(4)服務(wù)層：如果實現(xiàn)了服務(wù)化，就有這一層

(5)數(shù)據(jù)-緩存層：緩存加速訪問存儲

(6)數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)庫層：數(shù)據(jù)庫固化數(shù)據(jù)存儲

整個系統(tǒng)各層次的水平擴展，又分別是如何實施的呢?

四、分層水平擴展架構(gòu)實踐

1. 反向代理層的水平擴展

反向代理層的水平擴展，是通過“DNS輪詢”實現(xiàn)的：dns-server對于一個域名配置了多個解析ip，每次DNS解析請求來訪問dns-server，會輪詢返回這些ip。

當nginx成為瓶頸的時候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增nginx服務(wù)的部署，增加一個外網(wǎng)ip，就能擴展反向代理層的性能，做到理論上的***高并發(fā)。

2. 站點層的水平擴展

站點層的水平擴展，是通過“nginx”實現(xiàn)的。通過修改nginx.conf，可以設(shè)置多個web后端。

當web后端成為瓶頸的時候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增web服務(wù)的部署，在nginx配置中配置上新的web后端，就能擴展站點層的性能，做到理論上的***高并發(fā)。

3. 服務(wù)層的水平擴展

服務(wù)層的水平擴展，是通過“服務(wù)連接池”實現(xiàn)的。

站點層通過RPC-client調(diào)用下游的服務(wù)層RPC-server時，RPC-client中的連接池會建立與下游服務(wù)多個連接，當服務(wù)成為瓶頸的時候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增服務(wù)部署，在RPC-client處建立新的下游服務(wù)連接，就能擴展服務(wù)層性能，做到理論上的***高并發(fā)。如果需要優(yōu)雅的進行服務(wù)層自動擴容，這里可能需要配置中心里服務(wù)自動發(fā)現(xiàn)功能的支持。

4. 數(shù)據(jù)層的水平擴展

在數(shù)據(jù)量很大的情況下，數(shù)據(jù)層(緩存，數(shù)據(jù)庫)涉及數(shù)據(jù)的水平擴展，將原本存儲在一臺服務(wù)器上的數(shù)據(jù)(緩存，數(shù)據(jù)庫)水平拆分到不同服務(wù)器上去，以達到擴充系統(tǒng)性能的目的。

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)層常見的水平拆分方式有這么幾種，以數(shù)據(jù)庫為例：

（1）按照范圍水平拆分

每一個數(shù)據(jù)服務(wù)，存儲一定范圍的數(shù)據(jù)，上圖為例：

• user0庫，存儲uid范圍1-1kw
• user1庫，存儲uid范圍1kw-2kw

這個方案的好處是：

• 規(guī)則簡單，service只需判斷一下uid范圍就能路由到對應(yīng)的存儲服務(wù);
• 數(shù)據(jù)均衡性較好;
• 比較容易擴展，可以隨時加一個uid[2kw,3kw]的數(shù)據(jù)服務(wù);

不足是：

• 請求的負載不一定均衡，一般來說，新注冊的用戶會比老用戶更活躍，大range的服務(wù)請求壓力會更大;

（2）按照哈希水平拆分

每一個數(shù)據(jù)庫，存儲某個key值hash后的部分數(shù)據(jù)，上圖為例：

• user0庫，存儲偶數(shù)uid數(shù)據(jù)
• user1庫，存儲奇數(shù)uid數(shù)據(jù)

這個方案的好處是：

• 規(guī)則簡單，service只需對uid進行hash能路由到對應(yīng)的存儲服務(wù);
• 數(shù)據(jù)均衡性較好;
• 請求均勻性較好;

不足是：

• 不容易擴展，擴展一個數(shù)據(jù)服務(wù)，hash方法改變時候，可能需要進行數(shù)據(jù)遷移;

這里需要注意的是，通過水平拆分來擴充系統(tǒng)性能，與主從同步讀寫分離來擴充數(shù)據(jù)庫性能的方式有本質(zhì)的不同。

通過水平拆分擴展數(shù)據(jù)庫性能：

• 每個服務(wù)器上存儲的數(shù)據(jù)量是總量的1/n，所以單機的性能也會有提升;
• n個服務(wù)器上的數(shù)據(jù)沒有交集，那個服務(wù)器上數(shù)據(jù)的并集是數(shù)據(jù)的全集;
• 數(shù)據(jù)水平拆分到了n個服務(wù)器上，理論上讀性能擴充了n倍，寫性能也擴充了n倍(其實遠不止n倍，因為單機的數(shù)據(jù)量變?yōu)榱嗽瓉淼?/n);

通過主從同步讀寫分離擴展數(shù)據(jù)庫性能：

• 每個服務(wù)器上存儲的數(shù)據(jù)量是和總量相同;
• n個服務(wù)器上的數(shù)據(jù)都一樣，都是全集;
• 理論上讀性能擴充了n倍，寫仍然是單點，寫性能不變;

緩存層的水平拆分和數(shù)據(jù)庫層的水平拆分類似，也是以范圍拆分和哈希拆分的方式居多，就不再展開。

五、總結(jié)

高并發(fā)(High Concurrency)是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計保證系統(tǒng)能夠同時并行處理很多請求。

提高系統(tǒng)并發(fā)能力的方式，方法論上主要有兩種：垂直擴展(Scale Up)與水平擴展(Scale Out)。前者垂直擴展可以通過提升單機硬件性能，或者提升單機架構(gòu)性能，來提高并發(fā)性，但單機性能總是有極限的，互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計高并發(fā)***解決方案還是后者：水平擴展。

互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)中，各層次水平擴展的實踐又有所不同：

(1)反向代理層可以通過“DNS輪詢”的方式來進行水平擴展;

(2)站點層可以通過nginx來進行水平擴展;

(3)服務(wù)層可以通過服務(wù)連接池來進行水平擴展;

(4)數(shù)據(jù)庫可以按照數(shù)據(jù)范圍，或者數(shù)據(jù)哈希的方式來進行水平擴展;

各層實施水平擴展后，能夠通過增加服務(wù)器數(shù)量的方式來提升系統(tǒng)的性能，做到理論上的性能***。

【本文為51CTO專欄作者“58沈劍”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】

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