nginx、swoole高并发原理初探

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一、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。

1、同步与异步

①同步与异步的理解

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。

  • 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后,才能进行后续的执行

  • 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。

异步调用,要想获得结果,一般有两种方式:
1、主动轮询异步调用的结果;
2、被调用方通过callback来通知调用方调用结果。

②:生活实例

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,有两种方式:
1、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。
2、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。


2、阻塞与非阻塞

①阻塞与非阻塞的理解

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。

  • 阻塞
    阻塞调用在发出去后,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
    非阻塞调用在发出去后,不会阻塞当前进/线程,而会立即返回。

②:生活实例

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...


3、总结

通过上面的分析,我们可以得知:

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。


二、Nginx如何处理高并发

1、Apache面对高并发,为什么很无力?

Apache处理一个请求是同步阻塞的模式。

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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。

  • 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:

  • 及时消息通知程序
    比如及时聊天程序,一台服务器可能要维持数十万的连接(典型的C10K问题),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。

注:什么是C10K问题?
网络服务在处理数以万计的客户端连接时,往往出现效率低下甚至完全瘫痪,这被称为C10K问题。(concurrent 10000 connection)

综上,我们可以看出,Apache是同步阻塞的多进程模式,面对高并发等一些场景,是很苍白的。


2、Nginx何以问鼎高并发?

传统的服务器模型就是这样,因为其同步阻塞的多进程模型,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。

①、I/O复用是神马?

最初级的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。

上面说的同步阻塞的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。

升级版的I/O复用

上面虽然实现了基础版的I/O复用,但是效率太低了。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---select、poll。

select、poll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:select与poll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,select、poll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进程。

如此,多高效!

②、基于epoll的Nginx

有了epoll,理论上1个进程就可以无限数量的连接,而且无需轮询,真正解决了c10k的问题。

Nginx是基于epoll的,异步非阻塞的服务器程序。自然,Nginx能够轻松处理百万级的并发连接,也就无可厚非了。

三、swoole如何处理高并发以及异步I/O的实现

1、swoole介绍

swoole是PHP的一个扩展。
简单理解:swoole=异步I/O+网络通信
PHPer可以基于swoole去实现过去PHP无法实现的功能。
具体请参考swoole官网:swoole官网


2、swoole如何处理高并发

①Reactor模型介绍

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。

注:什么是句柄?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。

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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。

②swoole的架构

swoole采用 多线程Reactor+多进程Worker

swoole的架构图如下:

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swoole的处理连接流程图如下:

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当请求到达时,swoole是这样处理的:

请求到达 Main Reactor
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Main Reactor根据Reactor的情况,将请求注册给对应的Reactor
(每个Reactor都有epoll。用来监听客户端的变化)
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客户端有变化时,交给worker来处理
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worker处理完毕,通过进程间通信(比如管道、共享内存、消息队列)发给对应的reactor。
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reactor将响应结果发给相应的连接
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        |
    请求处理完成

因为reactor基于epoll,所以每个reactor可以处理无数个连接请求。
如此,swoole就轻松的处理了高并发。

3、swoole如何实现异步I/O

基于上面的Swoole结构图,我们看到swoole的worker进程有2种类型:
一种是 普通的worker进程,一种是 task worker进程。

worker进程是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:

耗时较长的Mysql查询进入worker
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worker通过管道将这个请求交给taskworker来处理
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worker再去处理其他请求
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task worker处理完毕后,处理结果通过管道返回给worker
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worker 将结果返回给reactor
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reactor将结果返回给请求方

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

四、参考文章

Nginx 多进程模型是如何实现高并发的?
PHP并发IO编程之路
epoll 或者 kqueue 的原理是什么?
IO 多路复用是什么意思?

更多精彩,请关注公众号“聊聊代码”,让我们一起聊聊“左手代码右手诗”的事儿。
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12 条评论
Panda · 2017年04月18日

感谢分享 ?

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龍行天下 · 2017年02月28日

赞~~

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小eyes · 2017年04月18日

碉堡了

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poisoner · 2017年05月02日

一直对阻塞和非阻塞不太理解,这篇文章写得太形象了,很容易理解

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wahaha · 2017年08月01日

io复用, epoll貌似都是同步的 亲

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wahaha · 2017年08月01日

reactor也是同步的

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我只是一个菜鸟 · 2017年08月26日

楼主你好:看到阻塞和非阻塞你生活举列,我有个疑问,是不是把小明换成店员更形象些?还是我理解有问题呢

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worry · 2017年09月19日

十分感谢楼主的分享

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非空 · 1月5日

haowen

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非空 · 1月9日

可以可以理解为阻塞与非阻塞是描述进程的状态,而同步与异步是描述程序运行的状态

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imyiligege · 3月6日

"当没有I/O事件的时候,这个进程处于阻塞状态"谁能解释下文章中这句话 为何进程要阻塞住呢

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1

我的理解是阻塞住就是挂起该进程(让出CPU资源,从内存中移除)的意思,这个进程就是专门用来处理IO事件的,没有事情做(无IO事件),所以就挂起

niemi · 3月22日
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