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3.理解Nginx和Swoole的高并发原理.md

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理解Nginx和Swoole的高并发原理

阅前热身

​ 为了更加形象的说明同步/异步阻塞/非阻塞,我们以小明去买奶茶为例。

同步与异步

  • 同步:当一个同步调用发出去后,调用者要一直等待调用结果的通知,直到得到调用结果
  • 异步:当一个异步调用发出去后,调用者不能立即得到调用结果的返回

对于异步调用,要想获得结果,一般有2种方式:

  • 主动轮询异步调用的结果
  • 被调用方通过callback来通知调用方调用结果

举个栗子

  • 同步买奶茶:小明点单交钱,然后等着拿奶茶。
  • 异步买奶茶:小明点单交钱,店员给小明一个小票,等小明奶茶做好了再来取。

异步买奶茶,小明要想知道奶茶是否做好了,有2种方式:

  • 小明主动去问店员,一会就去问一下:“奶茶做好了吗?”...直到奶茶做好。
  • 等奶茶做好了,店员喊一声:“小明,奶茶好了!”,然后小明去取奶茶。

总结:同步与异步的重点在消息通知的方式上,也就是调用结果通知的方式

阻塞与非阻塞

  • 阻塞调用发出去后,在消息返回之前,当前进/线程会被挂起,直到有消息返回,当前进/线程才会被激活
  • 非阻塞调用发出去后,不会阻塞当前进/线程,而会立即返回

举个栗子

  • 阻塞买奶茶:小明点单交钱,干等着拿奶茶,什么事都不做。
  • 非阻塞买奶茶:小明点单交钱,等着拿奶茶,等的过程中,时不时刷刷微博、朋友圈

总结:同步与异步重点在于消息通知的方式阻塞与非阻塞重点在于等消息时候的行为

所以,就有了下面4种组合方式:

  • 同步阻塞:小明在柜台干等着拿奶茶;
  • 同步非阻塞:小明在柜台边刷微博边等着拿奶茶;
  • 异步阻塞:小明拿着小票啥都不干,一直等着店员通知他拿奶茶;
  • 异步非阻塞:小明拿着小票,刷着微博,等着店员通知他拿奶茶。

总结:阻塞与非阻塞的重点在于进/线程等待消息时候的行为,也就是在等待消息的时候,当前进/线程是挂起状态,还是非挂起状态。

Nginx如何处理高并发

​ Apache处理一个请求是同步阻塞的模式。如图:

每到达一个请求,Apache都会去fork一个子进程去处理这个请求,直到这个请求处理完毕。面对低并发,这种模式没什么缺点,但是,面对高并发,就是这种模式的软肋了。

​ 1个客户端占用1个进程,那么,进程数量有多少,并发处理能力就有多少,但操作系统可以创建的进程数量是有限的。并且,多进程就会有进程间的切换问题,而进程间的切换调度势必会造成CPU的额外消耗。当进程数量达到成千上万的时候,进程间的切换就占了CPU大部分的时间片,而真正进程的执行反而占了CPU的一小部分,这就得不偿失了。

下面,举例说明这2种场景是多进程模式的软肋:

  • 即时消息通知程序比如及时聊天程序,一台服务器可能要维持数十万的连接,那么就要启动数十万的进程来维持。这显然不可能。

  • 调用外部Http接口时假设Apache启动100个进程来处理请求,每个请求消耗100ms,那么这100个进程能提供1000qps。但是,在我们调用外部Http接口时,比如QQ登录、微博登录,耗时较长,假设一个请求消耗10s,也就是1个进程1s处理0.1个请求,那么100个进程只能达到10qps,这样的处理能力就未免太差了。

传统的服务器模型就是这样,因为其同步阻塞多进程模型,无法面对高并发。那么,有没有一种方式可以让我们在一个进程处理所有的并发I/O呢?答案是有的,这就是I/O复用技术

I/O复用

​ 所谓的I/O复用,就是多个I/O可以复用一个进程。上面说的同步阻塞多进程模型不适合处理高并发,那么,我们再来考虑非阻塞的方式。采用非阻塞的模式,当一个连接过来时,我们不阻塞住,这样一个进程可以同时处理多个连接了。

​ 比如一个进程接受了10000个连接,这个进程每次从头到尾的问一遍这10000个连接:“有I/O事件没?有的话就交给我处理,没有的话我一会再来问一遍。”然后进程就一直从头到尾问这10000个连接,如果这1000个连接都没有I/O事件,就会造成CPU的空转,并且效率也很低,不好不好。

​ 于是伟大的程序猿们日思夜想的去解决这个问题...终于!

  • 我们能不能引入一个代理,这个代理可以同时观察许多I/O流事件呢?

当没有I/O事件的时候,这个进程处于阻塞状态;当有I/O事件的时候,这个代理就去通知进程醒来

于是,早期的程序猿们发明了两个代理:selectpoll

  • selectpoll代理的原理是这样的:

当连接有I/O流事件产生的时候,就会去唤醒进程去处理。但是进程并不知道是哪个连接产生的I/O流事件,于是进程就挨个去问:“请问是你有事要处理吗?”......问了99999遍,哦,原来是第100000个进程有事要处理。那么,前面这99999次就白问了,白白浪费宝贵的CPU时间片了!痛哉,惜哉...

注:selectpoll原理是一样的,只不过select只能观察1024个连接,poll可以观察无限个连接。

上面看了,selectpoll因为不知道哪个连接有I/O流事件要处理,性能也挺不好的。

那么,如果发明一个代理,每次能够知道哪个连接有了I/O流事件,不就可以避免无意义的空转了吗?

于是,超级无敌、闪闪发光的epoll被伟大的程序员发明出来了。

  • epoll代理的原理是这样的:

当连接有I/O流事件产生的时候,epoll就会去告诉进程哪个连接有I/O流事件产生,然后进程就去处理这个连接

Swoole如何处理高并发以及异步I/O的实现

Reactor模型

IO复用异步非阻塞程序使用经典的Reactor模型Reactor顾名思义就是反应堆的意思,它本身不处理任何数据收发。只是可以监视一个socket(也可以是管道、eventfd、信号)句柄的事件变化。

句柄

句柄英文为handler,可以形象的比喻为锅柄、勺柄。也就是资源的唯一标识符资源的ID。通过这个ID可以操作资源。

Reactor只是一个事件发生器,实际对socket句柄的操作,如connect/accept、send/recv、close是在callback中完成的

Swoole如何实现异步I/O

Swooleworker进程有2种类型:一种是普通的worker进程,一种是task worker进程

  • worker进程:用来处理普通的耗时不是太长的请求
  • task worker进程:用来处理耗时较长的请求,比如数据库的I/O操作

我们以异步MySQL举例:

如此,通过worker、task worker结合的方式,我们就实现了异步I/O