最近留言問(wèn)“高并發(fā)”的朋友頗多，公眾號(hào)又不支持歷史文章檢索，故重新優(yōu)化發(fā)布，希望大家有收獲。

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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(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過(guò)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。

高并發(fā)相關(guān)的常見(jiàn)指標(biāo)有哪些?

• 響應(yīng)時(shí)間(Response Time)
• 吞吐量(Throughput)
• 每秒查詢率QPS(Query Per Second)
• 并發(fā)用戶數(shù)

什么是響應(yīng)時(shí)間?

系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)的時(shí)間。

例如：系統(tǒng)處理一個(gè)HTTP請(qǐng)求需要200ms，這個(gè)200ms就是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

什么是吞吐量?

單位時(shí)間內(nèi)處理的請(qǐng)求數(shù)量。

什么是QPS?

每秒響應(yīng)請(qǐng)求數(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，這個(gè)指標(biāo)和吞吐量區(qū)分的沒(méi)有這么明顯。

什么是并發(fā)用戶數(shù)?

同時(shí)承載正常使用系統(tǒng)功能的用戶數(shù)量。

例如：一個(gè)即時(shí)通訊系統(tǒng)，同時(shí)在線量一定程度上代表了系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)。

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(jì)，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(kuò)展(Scale Up)
• 水平擴(kuò)展(Scale Out)

什么是垂直擴(kuò)展?

垂直擴(kuò)展是指，提升單機(jī)處理能力，垂直擴(kuò)展的方式又有兩種：

• 增強(qiáng)單機(jī)硬件性能，例如：增加CPU核數(shù)如32核，升級(jí)更好的網(wǎng)卡如萬(wàn)兆，升級(jí)更好的硬盤(pán)如SSD，擴(kuò)充硬盤(pán)容量如2T，擴(kuò)充系統(tǒng)內(nèi)存如128G;
• 提升單機(jī)架構(gòu)性能，例如：使用Cache來(lái)減少I(mǎi)O次數(shù)，使用異步來(lái)增加單服務(wù)吞吐量，使用無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)減少響應(yīng)時(shí)間;

畫(huà)外音：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(wèn)題，強(qiáng)烈建議使用“增強(qiáng)單機(jī)硬件性能”的方式提升系統(tǒng)并發(fā)能力，因?yàn)檫@個(gè)階段，公司的戰(zhàn)略往往是發(fā)展業(yè)務(wù)搶時(shí)間，而“增強(qiáng)單機(jī)硬件性能”往往是最快的方法。

垂直擴(kuò)展有什么瓶頸?

不管是提升單機(jī)硬件性能，還是提升單機(jī)架構(gòu)性能，都有一個(gè)致命的不足：?jiǎn)螜C(jī)性能總是有極限的。

如何突破單機(jī)的極限?

互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，高并發(fā)***解決方案還是水平擴(kuò)展。

什么是水平擴(kuò)展?

只要增加服務(wù)器數(shù)量，就能線性擴(kuò)充系統(tǒng)性能。

常見(jiàn)的互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)如何?

各層該如何落地水平擴(kuò)展?

常見(jiàn)互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)如上，分為：

• 客戶端層：典型調(diào)用方是瀏覽器browser或者手機(jī)應(yīng)用APP;
• 反向代理層：系統(tǒng)入口，反向代理;
• 站點(diǎn)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)核心應(yīng)用邏輯，返回html或者json;
• 服務(wù)層：如果實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化，就有這一層;
• 數(shù)據(jù)-緩存層：緩存加速訪問(wèn)存儲(chǔ);
• 數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)庫(kù)層：數(shù)據(jù)庫(kù)固化數(shù)據(jù)存儲(chǔ);

要想真?zhèn)€系統(tǒng)支持水平擴(kuò)展，就必須每一層都支持水平擴(kuò)展。

反向代理層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展?

 

反向代理層的水平擴(kuò)展，是通過(guò)“DNS輪詢”實(shí)現(xiàn)的：dns-server對(duì)于一個(gè)域名配置了多個(gè)解析ip，每次DNS解析請(qǐng)求來(lái)訪問(wèn)dns-server，會(huì)輪詢返回這些ip。

當(dāng)nginx成為瓶頸的時(shí)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(gè)外網(wǎng)ip，就能擴(kuò)展反向代理層的性能，做到理論上的***高并發(fā)。

站點(diǎn)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展?

站點(diǎn)層的水平擴(kuò)展，是通過(guò)“nginx”實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)修改nginx.conf，可以設(shè)置多個(gè)web后端。

畫(huà)外音：nginx是個(gè)例子，有可能是LVS或者F5等反向代理。

當(dāng)web后端成為瓶頸的時(shí)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(kuò)展站點(diǎn)層的性能，做到理論上的***高并發(fā)。

服務(wù)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展?

服務(wù)層的水平擴(kuò)展，是通過(guò)“服務(wù)連接池”實(shí)現(xiàn)的。

站點(diǎn)層通過(guò)RPC-client調(diào)用下游的服務(wù)層RPC-server時(shí)，RPC-client中的連接池會(huì)建立與下游服務(wù)多個(gè)連接，當(dāng)服務(wù)成為瓶頸的時(shí)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(kuò)展服務(wù)層性能，做到理論上的***高并發(fā)。

畫(huà)外音：如果需要優(yōu)雅的進(jìn)行服務(wù)層自動(dòng)擴(kuò)容，這里可能需要配置中心里服務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能的支持。

數(shù)據(jù)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)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(kù))涉及數(shù)據(jù)的水平擴(kuò)展，將原本存儲(chǔ)在一臺(tái)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)(緩存，數(shù)據(jù)庫(kù))水平拆分到不同服務(wù)器上去，以達(dá)到擴(kuò)充系統(tǒng)性能的目的。

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

1. 按照范圍水平拆分

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

• user0庫(kù)，存儲(chǔ)uid范圍1-1kw
• user1庫(kù)，存儲(chǔ)uid范圍1kw-2kw

這個(gè)方案的好處是：

• 規(guī)則簡(jiǎn)單，service只需判斷一下uid范圍就能路由到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù);
• 數(shù)據(jù)均衡性較好;
• 比較容易擴(kuò)展，可以隨時(shí)加一個(gè)uid[2kw,3kw]的數(shù)據(jù)服務(wù);

不足是：

• 請(qǐng)求的負(fù)載不一定均衡，一般來(lái)說(shuō)，新注冊(cè)的用戶會(huì)比老用戶更活躍，大range的服務(wù)請(qǐng)求壓力會(huì)更大;

2. 按照哈希水平拆分

每一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)某個(gè)key值hash后的部分?jǐn)?shù)據(jù)，上圖為例：

• user0庫(kù)，存儲(chǔ)偶數(shù)uid數(shù)據(jù)
• user1庫(kù)，存儲(chǔ)奇數(shù)uid數(shù)據(jù)

這個(gè)方案的好處是：

• 規(guī)則簡(jiǎn)單，service只需對(duì)uid進(jìn)行hash能路由到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù);
• 數(shù)據(jù)均衡性較好;
• 請(qǐng)求均勻性較好;

不足是：

• 不容易擴(kuò)展，擴(kuò)展一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)，hash方法改變時(shí)候，可能需要進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移;

通過(guò)水平拆分來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)性能，與主從同步讀寫(xiě)分離來(lái)擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)性能，有什么本質(zhì)的不同?

畫(huà)外音：這兩個(gè)方案千萬(wàn)別搞混。

通過(guò)水平拆分?jǐn)U展數(shù)據(jù)庫(kù)性能：

• 每個(gè)服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是總量的1/n，所以單機(jī)的性能也會(huì)有提升;
• n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)沒(méi)有交集，那個(gè)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(gè)服務(wù)器上，理論上讀性能擴(kuò)充了n倍，寫(xiě)性能也擴(kuò)充了n倍(其實(shí)遠(yuǎn)不止n倍，因?yàn)閱螜C(jī)的數(shù)據(jù)量變?yōu)榱嗽瓉?lái)的1/n);

通過(guò)主從同步讀寫(xiě)分離擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)性能：

• 每個(gè)服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是和總量相同;
• n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)都一樣，都是全集;
• 理論上讀性能擴(kuò)充了n倍，寫(xiě)仍然是單點(diǎn)，寫(xiě)性能不變;

緩存層的水平拆分和數(shù)據(jù)庫(kù)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(kāi)。

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(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過(guò)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。

提高系統(tǒng)并發(fā)能力的方法主要有兩種：

• 垂直擴(kuò)展(Scale Up)
• 水平擴(kuò)展(Scale Out)

前者垂直擴(kuò)展可以通過(guò)提升單機(jī)硬件性能，或者提升單機(jī)架構(gòu)性能，來(lái)提高并發(fā)性，但單機(jī)性能總是有極限的，互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)高并發(fā)***解決方案還是后者：水平擴(kuò)展。

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

• 反向代理層可以通過(guò)“DNS輪詢”的方式來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展;
• 站點(diǎn)層可以通過(guò)nginx來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展;
• 服務(wù)層可以通過(guò)服務(wù)連接池來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展;
• 數(shù)據(jù)庫(kù)可以按照數(shù)據(jù)范圍，或者數(shù)據(jù)哈希的方式來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展;

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

思路比結(jié)論重要。

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

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