高并发（High Concurrency）

左手的ㄟ右手 2024-04-17 05:37 29阅读 0赞

\#整理了一些博文作为高并发相关理论的学习笔记，同时加上了一些个人的理解，尊重原创者，文章属性就设为转载吧，参考博文的链接已附在最后。

## 高并发 ##

并发，其实就是通过设计可以同时处理多个请求。  
而高并发（High Concurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。

## 并发能力的衡量标准 ##

一个系统的并发能力大概有这么几个参数来决定的。

（1）响应时间：系统对请求作出的响应时间（请求 客户端–>服务器–>客户端）

（2）吞吐量：单位时间内处理的请求数量

（3）QPS：每秒可以处理的请求数

（4）并发用户数：同时承载正常使用系统功能的用户数量

## 实现高并发的方法 ##

大型网站，比如门户网站。在面对大量用户访问、高并发请求方面，基本的解决方案集中在这样几个环节：

*  使用高性能的服务器
 *  高性能的数据库
 *  高效率的编程语言
 *  高性能的 Web 容器

以上的几个方面在一定程度上意味着更大的投入，会经常遇到瓶颈，没有很好的扩展性，所以还没法根本解决大型网站面临的高负载和高并发问题。

下面从较低成本、高性能和高扩张性的角度的一些经验：

*  分布式设计
 *  HTML 静态化
 *  图片服务器分离
 *  数据库集群和库表散列
 *  缓存
 *  镜像
 *  负载均衡
 *  …

#### 1. 改进程序，上个锁——synchronized ####

高并发量也就意味着多个线程同时在程序中运行，这样就会导致数据的不安全性，体现在两个方面，一是存在共享数据，另外一个就是共享数据可能被多个线程同时操作。而如果要保证多个线程同时访问一个资源的时候，那么就要给上限制，就是当一个线程访问完一个资源之后，其他的线程才能进来访问。这就需要一把锁–互斥锁！

#### 2. 改进系统——分布式 ####

根据互联网分布式架构设计，提高系统并发能力的方式，方法论上主要有两种：垂直扩展（Scale Up）与水平扩展（Scale Out）

###### 2.1 垂直扩展——不断的提高单机处理能力 ######

垂直扩展的方式又有两种：  
\- 增强单机硬件性能，例如：增加 CPU 核数如 32 核，升级更好的网卡如万兆，升级更好的硬盘如 SSD，扩充硬盘容量如 2T，扩充系统内存如 128G；  
\- 提升单机架构性能，例如：使用 Cache 来减少 IO 次数，使用异步来增加单服务吞吐量，使用无锁数据结构来减少响应时间。  
在互联网业务发展非常迅猛的早期，如果预算不是问题，强烈建议使用“增强单机硬件性能”的方式提升系统并发能力，因为这个阶段，公司的战略往往是发展业务抢时间，而“增强单机硬件性能”往往是最快的方法。

不管是提升单机硬件性能，还是提升单机架构性能，都有一个致命的不足：单机性能总是有极限的。所以互联网分布式架构设计高并发终极解决方案还是水平扩展。

###### 2.2 水平扩展——添加服务器（nginx反向代理） ######

添加了服务器的数量，也就所谓的服务器分布式集群。  
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在水平扩展模型中，是通过增加更多的系统成员（性能或速度还是原来的一样）来提高负载能力的。（如增加相同的服务器）

#### 3. 数据库 ####

数据库是大多数应用所面临的首个SPOF（single point of failure，单一故障点）。  
常用的优化措施是 M-S（主-从）方式进行同步复制，将查询和操作和分别在不同的服务器上进行操作。

推荐的是 M-M-Slaves 方式，2个主 Mysql，多个 Slaves，需要注意的是，虽然有2个 Master，但是同时只有 1 个是 Active 的，我们可以在一定时候切换。之所以用 2 个 M，是保证 M 不会又成为系统的 SPOF。

Slaves 可以进一步负载均衡，可以结合 LVS，从而将 select 操作适当的平衡到不同的 slaves 上。

以上架构可以抗衡到一定量的负载，但是随着用户进一步增加，你的用户表数据超过 1 千万，这时那个 M变成了 SPOF。你不能任意扩充 Slaves，否则复制同步的开销将直线上升，怎么办？我的方法是表分区，从业务层面上进行分区。最简单的，以用户数据为例，根据一定的切分方式，比如 id，切分到不同的数据库集群去。

全局数据库用于 meta 数据的查询。缺点是每次查询，会增加一次，比如你要查一个用户 nightsailer，你首先要到全局数据库群找到 nightsailer 对应的 cluster id，然后再到指定的 cluster 找到 nightsailer 的实际数据。每个 cluster 可以用 M-M 方式，或者 M-M-Slaves方式。这是一个可以扩展的结构，随着负载的增加，你可以简单的增加新的 cluster 进去。

#### 4. 数据库集群和库表散列 ####

大型网站都有复杂的应用，这些应用必须使用数据库，那么在面对大量访问的时候，数据库的瓶颈很快就能显现出来，这时一台数据库将很快无法满足应用，于是我们需要使用数据库集群或者库表散列。

在数据库集群方面，很多数据库都有自己的解决方案，Oracle、Sybase、MySQL 等都有很好的方案，常用的 MySQL 提供的 Master/Slave 也是类似的方案，你使用了什么样的 DB，就参考相应的解决方案来实施即可。

上面提到的数据库集群由于在架构、成本、扩张性方面都会受到所采用 DB 类型的限制，于是我们需要从应用程序的角度来考虑改善系统架构，库表散列是常用并且最有效的解决方案。我们在应用程序中安装业务和应用或者功能模块将数据库进行分离，不同的模块对应不同的数据库或者表，再按照一定的策略对某个页面或者 功能进行更小的数据库散列，比如用户表，按照用户ID进行表散列，这样就能够低成本的提升系统的性能并且有很好的扩展性。

#### 5. HTML 静态化 ####

其实大家都知道，效率最高、消耗最小的就是纯静态页面，所以我们尽可能使我们的网站上的页面采用静态页面来实现，这个最简单的方法其实也是最有效的方法。但是对于大量内容并且频繁更新的网站，我们无法全部手动去挨个实现，于是出现了我们常见的信息发布系统 CMS，像我们常访问的各个门户站点的新闻频道，甚至他们的其他频道，都是通过信息发布系统来管理和实现的，信息发布系统可以实现最简单的信息录入自动生成静态页面，还能具备频道管理、权限管理、自动抓取等功能，对于一个大型网站来说，拥有一套高效、可管理的CMS 是必不可少的。

同时，html 静态化也是某些缓存策略使用的手段，对于系统中频繁使用数据库查询但是内容更新很小的应用，可以考虑使用 html 静态化来实现，比如论坛中论坛的公用设置信息，这些信息目前的主流论坛都可以进行后台管理并且存储再数据库中，这些信息其实大量被前台程序调用，但是更新频率很小，可以考虑将这部分内容进行后台更新的时候进行静态化，这样避免了大量的数据库访问请求高并发。

### 6. 静态资源服务器分离或者仅图片服务器分离 ###

基本上大型网站都会采用的策略，因为对于Web 服务器来说，不管是 Apache、IIS 还是其他容器，图片是最消耗资源的，他们都有独立的图片服务器，甚至很多台图片服务器。这样的架构可以降低提供页面访问请求的服务器系统压力，并且可以保证系统不会因为图片问题而崩溃，在应用服务器和图片服务器上，可以进行不同的配置优化。

附相关概念的总结：

*  水平扩展：加人，垂直扩展：喝红牛。喝红牛的体现为工作模式的优化，就是处理能力的提升。
 *  同步才有阻塞和非阻塞之分，因为他要等。阻塞就是傻等，等到完成为止。非阻塞就是看一下没有完成就干别的事情去了，然后过一些时间在回来看完成没有，一直到完成为止。这两者的区别在于等的方式不同！
 *  异步没有阻塞非阻塞之分，都是非阻塞，因为他根本不需要等。异步都必定有回调接口（回调通知），任务完成后会接收到通知。
 *  同步：主动等待，异步：被动接受通知。
 *  同步 servlet 阻塞了 servlet 容器的线程导致任务排队/丢弃，限制了吞吐量。
 *  webflux 实现高吞吐量关键在于异步，不需要等待。
 *  webflux 的高吞吐量并不会让你的任务更加快，任务处理该多少时间还是多少时间。

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参考链接：  
https://blog.csdn.net/mcb520wf/article/details/82685315  
https://www.imooc.com/article/details/id/27729  
https://my.oschina.net/niepanLs/blog/875578

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