高性能開發(fā)十大必須掌握的核心技術(shù)

我們循序漸進(jìn)，從內(nèi)存、磁盤I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O、CPU、緩存、架構(gòu)、算法等多層次遞進(jìn)，串聯(lián)起高性能開發(fā)十大必須掌握的核心技術(shù)。

- I/O優(yōu)化：零拷貝技術(shù)
- I/O優(yōu)化：多路復(fù)用技術(shù)
- 線程池技術(shù)
- 無鎖編程技術(shù)
- 進(jìn)程間通信技術(shù)
- RPC && 序列化技術(shù)
- 數(shù)據(jù)庫索引技術(shù)
- 緩存技術(shù) && 布隆過濾器
- 全文搜索技術(shù)
- 負(fù)載均衡技術(shù)

I/O優(yōu)化：零拷貝技術(shù)

從磁盤讀文件、再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從磁盤到網(wǎng)絡(luò)，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)需要拷貝四次，其中CPU親自搬運(yùn)都需要兩次。

最近在學(xué)習(xí)nginx的底層設(shè)計(jì)，正好有看到這個。后面可以在nginx系列里面補(bǔ)上這個。

零拷貝技術(shù)，解放CPU，文件數(shù)據(jù)直接從內(nèi)核發(fā)送出去，無需再拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)，白白浪費(fèi)資源。

Linux API：

ssize_t sendfile(
  int out_fd, 
  int in_fd, 
  off_t *offset, 
  size_t count
);

函數(shù)名字已經(jīng)把函數(shù)的功能解釋的很明顯了：發(fā)送文件。指定要發(fā)送的文件描述符和網(wǎng)絡(luò)套接字描述符，一個函數(shù)搞定！

I/O優(yōu)化：多路復(fù)用技術(shù)

每個線程都要阻塞在recv等待對方的請求，這來訪問的人多了，線程開的就多了，大量線程都在阻塞，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度也隨之下降。

這個時候，你需要多路復(fù)用技術(shù)，使用select模型，將所有等待（accept、recv）都放在主線程里，工作線程不需要再等待。

過了一段時間之后，網(wǎng)站訪問的人越來越多了，就連select也開始有點(diǎn)應(yīng)接不暇，老板繼續(xù)讓你優(yōu)化性能。

這個時候，你需要升級多路復(fù)用模型為epoll。

select有三弊，epoll有三優(yōu)。

select底層采用數(shù)組來管理套接字描述符，同時管理的數(shù)量有上限，一般不超過幾千個，epoll使用樹和鏈表來管理，同時管理數(shù)量可以很大。
select不會告訴你到底哪個套接字來了消息，你需要一個個去詢問。epoll直接告訴你誰來了消息，不用輪詢。
select進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時還需要把套接字列表在用戶空間和內(nèi)核空間來回拷貝，循環(huán)中調(diào)用select時簡直浪費(fèi)。epoll統(tǒng)一在內(nèi)核管理套接字描述符，無需來回拷貝。

用上了epoll多路復(fù)用技術(shù)，開發(fā)了3.0版本，你的網(wǎng)站能同時處理很多用戶請求了。

之前的方案中，工作線程總是用到才創(chuàng)建，用完就關(guān)閉，大量請求來的時候，線程不斷創(chuàng)建、關(guān)閉、創(chuàng)建、關(guān)閉，開銷挺大的。這個時候，你需要：

線程池技術(shù)

我們可以在程序一開始啟動后就批量啟動一波工作線程，而不是在有請求來的時候才去創(chuàng)建，使用一個公共的任務(wù)隊(duì)列，請求來臨時，向隊(duì)列中投遞任務(wù)，各個工作線程統(tǒng)一從隊(duì)列中不斷取出任務(wù)來處理，這就是線程池技術(shù)。

多線程技術(shù)的使用一定程度提升了服務(wù)器的并發(fā)能力，但同時，多個線程之間為了數(shù)據(jù)同步，常常需要使用互斥體、信號、條件變量等手段來同步多個線程。這些重量級的同步手段往往會導(dǎo)致線程在用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)多次切換，系統(tǒng)調(diào)用，線程切換都是不小的開銷。

在線程池技術(shù)中，提到了一個公共的任務(wù)隊(duì)列，各個工作線程需要從中提取任務(wù)進(jìn)行處理，這里就涉及到多個工作線程對這個公共隊(duì)列的同步操作。

有沒有一些輕量級的方案來實(shí)現(xiàn)多線程安全的訪問數(shù)據(jù)呢？這個時候，你需要：

無鎖編程技術(shù)

多線程并發(fā)編程中，遇到公共數(shù)據(jù)時就需要進(jìn)行線程同步。而這里的同步又可以分為阻塞型同步和非阻塞型同步。

阻塞型同步好理解，我們常用的互斥體、信號、條件變量等這些操作系統(tǒng)提供的機(jī)制都屬于阻塞型同步，其本質(zhì)都是要加“鎖”。

與之對應(yīng)的非阻塞型同步就是在無鎖的情況下實(shí)現(xiàn)同步，目前有三類技術(shù)方案：

Wait-freeLock-freeObstruction-free

三類技術(shù)方案都是通過一定的算法和技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)不用阻塞等待而實(shí)現(xiàn)同步，這其中又以Lock-free最為應(yīng)用廣泛。

Lock-free能夠廣泛應(yīng)用得益于目前主流的CPU都提供了原子級別的read-modify-write原語，這就是著名的CAS(Compare-And-Swap)操作。在Intel x86系列處理器上，就是cmpxchg系列指令。

我們常常見到的無鎖隊(duì)列、無鎖鏈表、無鎖HashMap等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其無鎖的核心大都來源于此。在日常開發(fā)中，恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用無鎖化編程技術(shù)，可以有效地降低多線程阻塞和切換帶來的額外開銷，提升性能。

服務(wù)器上線了一段時間，發(fā)現(xiàn)服務(wù)經(jīng)常崩潰異常，排查發(fā)現(xiàn)是工作線程代碼bug，一崩潰整個服務(wù)都不可用了。于是你決定把工作線程和主線程拆開到不同的進(jìn)程中，工作線程崩潰不能影響整體的服務(wù)。這個時候出現(xiàn)了多進(jìn)程，你需要：

進(jìn)程間通信技術(shù)

提起進(jìn)程間通信，你能想到的是什么？

管道
命名管道
socket
消息隊(duì)列
信號
信號量
共享內(nèi)存

以上各種進(jìn)程間通信的方式詳細(xì)介紹和比較，推薦一篇文章再探進(jìn)程間通信，這里不再贅述。

Scale-out（橫向拓展）

采用分布式部署的方式把流量分開，讓每個服務(wù)器都承擔(dān)一部分并發(fā)和流量。這也是我最喜歡的一種方法。

緩存

使用緩存來提高系統(tǒng)的性能。

為什么緩存可以大幅度提升系統(tǒng)的性能呢？

那肯定是要更普通磁盤進(jìn)行對比的啊。我們來看看普通磁盤的速度：
普通磁盤的尋道時間是 10ms 左右，而相比于磁盤尋道花費(fèi)的時間，CPU 執(zhí)行指令和內(nèi)存尋址的時間都在是 ns（納秒）級別，從千兆網(wǎng)卡上讀取數(shù)據(jù)的時間是在μs（微秒）級別。所以在整個計(jì)算機(jī)體系中，磁盤是最慢的一環(huán)，甚至比其它的組件要慢幾個數(shù)量級。因此，我們通常使用以內(nèi)存作為存儲介質(zhì)的緩存，以此提升性能。

至于緩存為什么快，因?yàn)樗莾?nèi)置的啊，在內(nèi)存中。不過也有個缺點(diǎn)，就是燒內(nèi)存。

異步

這是業(yè)務(wù)層面的異步。

內(nèi)核層面的異步，需要調(diào)用內(nèi)核指定的異步函數(shù)（aio族），不然，不論阻塞還是非阻塞都是同步。

高性能、高可用、高拓展 解決方案

以下實(shí)踐方案，有些我已經(jīng)試過了，有些還沒體驗(yàn)但是知道那么一回事兒，有些則不知道啥時候能實(shí)踐了。

高性能的實(shí)踐方案

1、集群部署，通過負(fù)載均衡減輕單機(jī)壓力。
2、多級緩存，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)使用CDN、本地緩存、分布式緩存等，以及對緩存場景中的熱點(diǎn)key、緩存穿透、緩存并發(fā)、數(shù)據(jù)一致性等問題的處理。
3、分庫分表和索引優(yōu)化，以及借助搜索引擎解決復(fù)雜查詢問題。
4、考慮NoSQL數(shù)據(jù)庫的使用，比如HBase、TiDB等，但是團(tuán)隊(duì)必須熟悉這些組件，且有較強(qiáng)的運(yùn)維能力。
5、異步化，將次要流程通過多線程、MQ、甚至延時任務(wù)進(jìn)行異步處理。
6、限流，需要先考慮業(yè)務(wù)是否允許限流（比如秒殺場景是允許的），包括前端限流、Nginx接入層的限流、服務(wù)端的限流。
7、對流量進(jìn)行削峰填谷，通過MQ承接流量。
8、并發(fā)處理，通過多線程將串行邏輯并行化。
9、預(yù)計(jì)算，比如搶紅包場景，可以提前計(jì)算好紅包金額緩存起來，發(fā)紅包時直接使用即可。
10、緩存預(yù)熱，通過異步任務(wù)提前預(yù)熱數(shù)據(jù)到本地緩存或者分布式緩存中。
11、減少IO次數(shù)，比如數(shù)據(jù)庫和緩存的批量讀寫、RPC的批量接口支持、或者通過冗余數(shù)據(jù)的方式干掉RPC調(diào)用。
12、減少IO時的數(shù)據(jù)包大小，包括采用輕量級的通信協(xié)議、合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、去掉接口中的多余字段、減少緩存key的大小、壓縮緩存value等。
13、程序邏輯優(yōu)化，比如將大概率阻斷執(zhí)行流程的判斷邏輯前置、For循環(huán)的計(jì)算邏輯優(yōu)化，或者采用更高效的算法。
14、各種池化技術(shù)的使用和池大小的設(shè)置，包括HTTP請求池、線程池（考慮CPU密集型還是IO密集型設(shè)置核心參數(shù)）、數(shù)據(jù)庫和Redis連接池等。
15、JVM優(yōu)化，包括新生代和老年代的大小、GC算法的選擇等，盡可能減少GC頻率和耗時。
16、鎖選擇，讀多寫少的場景用樂觀鎖，或者考慮通過分段鎖的方式減少鎖沖突。

上述方案無外乎從計(jì)算和 IO 兩個維度考慮所有可能的優(yōu)化點(diǎn)，需要有配套的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時了解當(dāng)前的性能表現(xiàn)，并支撐你進(jìn)行性能瓶頸分析，然后再遵循二八原則，抓主要矛盾進(jìn)行優(yōu)化。

高可用的實(shí)踐方案

1、對等節(jié)點(diǎn)的故障轉(zhuǎn)移，Nginx和服務(wù)治理框架均支持一個節(jié)點(diǎn)失敗后訪問另一個節(jié)點(diǎn)。
2、非對等節(jié)點(diǎn)的故障轉(zhuǎn)移，通過心跳檢測并實(shí)施主備切換（比如redis的哨兵模式或者集群模式、MySQL的主從切換等）。
3、接口層面的超時設(shè)置、重試策略和冪等設(shè)計(jì)。
4、降級處理：保證核心服務(wù)，犧牲非核心服務(wù)，必要時進(jìn)行熔斷；或者核心鏈路出問題時，有備選鏈路。
5、限流處理：對超過系統(tǒng)處理能力的請求直接拒絕或者返回錯誤碼。
6、MQ場景的消息可靠性保證，包括producer端的重試機(jī)制、broker側(cè)的持久化、consumer端的ack機(jī)制等。
7、灰度發(fā)布，能支持按機(jī)器維度進(jìn)行小流量部署，觀察系統(tǒng)日志和業(yè)務(wù)指標(biāo)，等運(yùn)行平穩(wěn)后再推全量。
8、監(jiān)控報警：全方位的監(jiān)控體系，包括最基礎(chǔ)的CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控，以及Web服務(wù)器、JVM、數(shù)據(jù)庫、各類中間件的監(jiān)控和業(yè)務(wù)指標(biāo)的監(jiān)控。
9、災(zāi)備演練：類似當(dāng)前的“混沌工程”，對系統(tǒng)進(jìn)行一些破壞性手段，觀察局部故障是否會引起可用性問題。

高可用的方案主要從冗余、取舍、系統(tǒng)運(yùn)維3個方向考慮，同時需要有配套的值班機(jī)制和故障處理流程，當(dāng)出現(xiàn)線上問題時，可及時跟進(jìn)處理。

高擴(kuò)展的實(shí)踐方案

1、合理的分層架構(gòu)：比如上面談到的互聯(lián)網(wǎng)最常見的分層架構(gòu)，另外還能進(jìn)一步按照數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層對微服務(wù)做更細(xì)粒度的分層
（但是需要評估性能，會存在網(wǎng)絡(luò)多一跳的情況）。
2、存儲層的拆分：按照業(yè)務(wù)維度做垂直拆分、按照數(shù)據(jù)特征維度進(jìn)一步做水平拆分（分庫分表）。
3、業(yè)務(wù)層的拆分：最常見的是按照業(yè)務(wù)維度拆（比如電商場景的商品服務(wù)、訂單服務(wù)等），
也可以按照核心接口和非核心接口拆，還可以按照請求源拆（比如To C和To B，APP和H5）。

總結(jié)

1、最簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足業(yè)務(wù)需求和流量現(xiàn)狀，選擇最熟悉的技術(shù)體系。

2、隨著流量的增加和業(yè)務(wù)的變化，修正架構(gòu)中存在問題的點(diǎn)，如單點(diǎn)問題，橫向擴(kuò)展問題，性能無法滿足需求的組件。
在這個過程中，選擇社區(qū)成熟的、團(tuán)隊(duì)熟悉的組件幫助我們解決問題，在社區(qū)沒有合適解決方案的前提下才會自己造輪子。

3、當(dāng)對架構(gòu)的小修小補(bǔ)無法滿足需求時，考慮重構(gòu)、重寫等大的調(diào)整方式以解決現(xiàn)有的問題。

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!