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关于后端:高并发的哲学原理一-找出单点进行拆分

jiezi

人列计算机

《三体》中，刘慈欣设计了一个用人进行二进制运算的计算机，应用了三千万名士兵(晶体管)：

  • 计算机名：秦一号

  • CPU：秦始皇最精锐的五个军团

    1. 挥动旗号进行二进制运算
    2. 用三个士兵来组成与门、或门、与非门、或非门、异或门、同或门和三态门，又用两个士兵组成了非门
    3. 将这些根本部件组合起来，形成了计算阵
  • 内存：由文化程度较高的人组成，每个人挥动多个色彩的旗号，能够代替 20 个挥动单色旗号的人
  • 硬盘：三百万文化程度较高的人（据说是上次坑儒留下来的）
  • 显示阵列：至多配有红色和绿色像素单元（双色显示阵列）

  • 保护部件：一组骑兵

    1. 传输信号
    2. 解决“故障”士兵
    3. 由秦始皇最精锐的骑兵团形成
  • 保护形式：更换出错部件

一提到高并发，很多人的第一反馈都能够演绎为以下两种状况：

1. 过程间通信(IPC)、共享内存、管道、队列、事件：这是学院派

2. 内存缓存、音讯队列、分库分表、NoSQL、ES 搜寻：这是实战派

其实，高并发之路，无论是学院派还是实战派，甚至是刘慈欣设计的人列计算机，其背地的哲学原理都是一样的。如果你问人列计算机和高并发有什么关系？依照下面的设计，最多一万名士兵就够了，为什么须要三千万呢？还不是为了进步性能。

其实，高并发的哲学原理早就暗藏在了古代计算机的根底构造之中，感兴趣的欢送去看我的《性能之殇（二）– 分支预测、流水线与多核 CPU》¹。

本文指标

下面只是我的喃喃私语，上面咱们进入正题。

本文的指标是在我无限的认知范畴内，讨论一下高并发问题背地暗藏的一个哲学原理。咱们将从动静拆散讲起，一步步深刻 Apache、Nginx、epoll、虚拟机、k8s、异步非阻塞、协程、利用网关、L4/L7 负载均衡器、路由器(网关)、交换机、LVS、软件定义网络(SDN)、Keepalived、DPDK、ECMP、全冗余架构、用户态网卡、集中式存储、分布式存储、PCI-E 5.0、全村的心愿 CXL、InnoDB 三级索引、内存缓存、KV 数据库、列存储、内存数据库、Shared-Nothing、计算存储拆散、Paxos、微服务架构、削峰、基于地理位置拆分、高可用等等等等。并最终基于地球和人类社会的根本属性，设计出能够服务地球整体人类的高并发架构。

先说论断，这个哲学原理就是：找出单点，进行拆分。

筹备工作

性能问题要靠架构解决

在开展这个哲学原理前，咱们须要先明确一下高并发问题的解决思路：性能问题要靠架构解决。

首先，在架构上动刀是最简略的，也是最容易取得收益的。其次，即使是真的去做单个资源的性能优化，例如 MySQL 单机性能优化(软件优化)、x86 CPU 多核性能晋升(硬件优化)，拆到宏观来看，也是在做架构优化：

没有银弹 就是计算机世界的第一准则，你想取得收益，总得拿出一些货色，和 信息之神 替换。

咱们探讨“哪个”高并发？

本文探讨的是“web 服务高并发”问题，典型场景为电商秒杀：同一个时刻，数万人抢同一个低价商品，会给零碎的每一个层面都造成显著的性能瓶颈，这种场景的集大成者，就是每年的双 11。

一个小指标

找出单点，进行拆分，就是将每一个大单点都拆成一个小单点 + 多资源并行的模式。

在解决高并发问题的过程中，咱们会一直地遇到新的单点：web server、单个操作系统、虚拟化 / 容器技术、编程语言运行架构、网络、UNIX 过程模型、数据库等。每遇到一个单点，咱们都要见招拆招，应用 架构 工具拆掉它。计算机的虚拟化水平十分高，简直每个单点都能够持续往下拆。

接下来大家就跟着我一起，一步一步将零碎性能的下限从单机 100 QPS 晋升到 1,000,000（一百万）QPS。

文章列表

  1. 找出单点，进行拆分（本文）
  2. Apache 的性能瓶颈与 Nginx 的性能劣势
  3. 基础设施并发：虚拟机与 Kubernetes（k8s）
  4. 暗藏在语言背地的魔鬼：运行架构为何会成为性能瓶颈
  5. 拆分网络单点(上)：利用网关、负载平衡和路由器(网关)
  6. 拆分网络单点(下)：SDN 如何代替百万人民币的负载平衡硬件(网关、LVS、交换机)
  7. 最难以解决的单点：数据库以及它背地的存储
  8. 将 InnoDB 剥的赤身露体：B+ 树与 Buffer Pool
  9. 细数四代分布式数据库并拆解 TiDB 和 OceanBase（主从、中间件、KV、计算与存储拆散、列存储、CAP 定理）
  10. 实践有限容量：站在地球表面

找出第一个单点

大部分零碎都是从单个虚拟机开始的，原始的资源可能只有 1 核 2G，你装置了一个 Apache，一个 MySQL，把代码部署下来，这个零碎就开始对外服务了。如果零碎用户数量减少了，你会发现，CPU 满了，这个时候，咱们第一个应该拆的就是动态流量。

动静拆散

大略是在 2013 年，我用从同学那里买的二手 MacBook Pro 跑过 Apache 和 Nginx 的性能测试，在本机拜访同一张 jpg 图片的状况下，Apache 的 QPS 为 2 万出头，而 Nginx 则超过 8 万，四倍性能。

所以，如果你还在用 Apache 承载所有流量，在后面加一个 Nginx 就能显著升高 CPU 占用率，大幅晋升零碎性能。如果你再利用云服务商把这些动态资源用 CDN 来承载，你的动态资源压力还能再升高 90%。

动静拆散当前，CPU 又满了，该怎么办呢？这个时候就须要把数据库拆出去了。

最适宜独立部署的软件：数据库

如果利用代码和数据库跑在一个零碎上，压力略微大一点，很容易呈现“债股双杀”的场面：MySQL 的响应变慢，利用代码就须要更长时间的期待，又要耗费更多的 CPU 资源，从而造成“内卷”和“踩踏”。只有你的零碎不是用户极其少，或者你们公司极其抠，把数据库独立部署的收益都是要高于投入的：1 核 2G 的虚拟机就够 MySQL 跑到 200 QPS 了，配合缓存撑持一个日 PV 100 万的小零碎应该够了。

我的理论教训

进击的爬虫

2017 年，我保护的一个 SEO 网站忽然遭逢大量爬虫的袭击：因为这个网站领有数百万个内容页面，页面内也有着大量的“相似文章举荐”，在只依附 MySQL like语句的状况下，单个页面的返回工夫长达 300-500ms。一天两万的实在用户 UV 对系统的压力并不大，但这些爬虫不讲武德，上来就是 100 QPS，过后 1 核 2G 的虚拟机和 1 核 1G 的 MySQL 可遭了殃了，齐全顶不住。

这些爬虫并不是正规大厂的爬虫，而是采集机器人，因为领有海量代理 ip，对网站造成了 DDOS 态势，没法应用惯例伎俩封禁，只能想方法抗住。

我首先做的，就是将动态资源全副 CDN 化，间接让 CPU 占用率升高了一半。而后就开始着手晋升零碎性能：

  1. 应用 ElasticSearch 提供“相似文章举荐”，将每个页面的响应工夫压缩到了 200ms
  2. 晋升数据库性能：减少索引，减少 Redis 缓存，应用定时工作刷新文章总数而不是实时计算，将响应工夫压缩到了 120ms
  3. 拜访 ES 的 HTTP 申请进行并行化：尽管 PHP 是一种阻塞语言，然而一次性发送多个 HTTP 申请的能力还是有的，均匀每个页面有五次申请，每次 15ms，并行化当前从 15ms*5 缩小到了 25ms，最终将均匀响应工夫压缩到了 70ms

同时，服务器和数据库也进行了计算资源的扩容，减少到了 2 核 4G 的虚拟机和 2 核 4G 的 MySQL，最终顶住了每天 200 万次页面拜访的冲击，比照之下，实在用户 PV 每天只有十万左右。

这个时候可能有人会问了，既然是内容网站，为什么不动态化呢？因为数据量太大了，500 万个页面，一个页面 100KB，就是 476GB 的磁盘容量，这个量级太夸大了，不如做性能优化硬抗了，这么多动态资源的治理和刷新反而是个更大的问题。在百万量级下，数据库相对是更好的数据存储解决方案，远比本人管理文件要更简略更稳固。

即使我做了那么多，还是不乏有一些爬虫愣头青在学习了 swoole 和 go 协程之后，对我的网站动员数千 QPS 的死亡冲锋，这个时候再怎么性能优化都是没用的，这时就须要应用倒数第二个工具：限流。

我做了三道限流关卡才最终顶住采集机器人 DDOS：

  1. 针对单个 ip 做申请频率限度
  2. 针对整个 /24 ip 段做申请频率限度（很多爬虫采纳同一段内的多个 ip 绕过限流）
  3. 针对每个 UA 做申请频率限度

在这三板斧使进去当前，天下太平了，网站再也没有被忽然发动的死亡冲锋搞挂过。

对了，既然限流是倒数第二个工具，必定有人好奇最初一个工具是什么？那就是熔断，熔断属于零碎鲁棒性工具，是善后用的，咱们最初一篇文章还会再提一嘴。

本文由 mdnice 多平台公布

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