物联网高并发编程之C10K问题原理和解决方案

C10K问题思维导图

C10K问题出现前期

大家都知道互联网的基础就是网络通信，早期的互联网可以说是一个小群体的集合。

互联网还不够普及，用户也不多。一台服务器同时在线100个用户估计在当时已经算是大型应用了。所以并不存在什么C10K的难题。互联网的爆发期应该是在www网站，浏览器，雅虎出现后。最早的互联网称之为Web1.0，互联网大部分的使用场景是下载一个Html页面，用户在浏览器中查看网页上的信息。这个时期也不存在C10K问题。

Web2.0时代到来后就不同了，一方面是普及率大大提高了，用户群体几何倍增长。另一方面是互联网不再是单纯的浏览万维网网页，逐渐开始进行交互，而且应用程序的逻辑也变的更复杂，从简单的表单提交，到即时通信和在线实时互动。

C10K的问题才体现出来了。每一个用户都必须与服务器保持TCP连接才能进行实时的数据交互。

Facebook这样的网站同一时间的并发TCP连接可能会过亿。

腾讯QQ也是有C10K问题的，只不过他们是用了UDP这种原始的包交换协议来实现的，绕开了这个难题。当然过程肯定是痛苦的。如果当时有epoll技术，他们肯定会用TCP。后来的手机QQ，微信都采用TCP协议。

C10K问题出现和本质

这时候问题就来了，最初的服务器都是基于进程/线程模型的，新到来一个TCP连接，就需要分配1个进程（或者线程）。

而进程又是操作系统最昂贵的资源，一台机器无法创建很多进程。

如果是C10K就要创建1万个进程，那么操作系统是无法承受的。

如果是采用分布式系统，维持1亿用户在线需要10万台服务器，成本巨大，也只有Facebook，Google，雅虎才有财力购买如此多的服务器。这就是C10K问题的本质。

实际上当时也有异步模式，如：select/poll模型，这些技术都有一定的缺点，如selelct最大不能超过1024，poll没有限制，但每次收到数据需要遍历每一个连接查看哪个连接有数据请求。

C10K解决方案C10K解决方案

解决这一问题，主要思路有两个：

1. 一个是对于每个连接处理分配一个独立的进程/线程；
2. 另一个思路是用同一进程/线程来同时处理若干连接。

每个进程/线程处理一个连接

这一思路最为直接。但是由于申请进程/线程会占用相当可观的系统资源，同时对于多进程/线程的管理会对系统造成压力，因此这种方案不具备良好的可扩展性。

因此，这一思路在服务器资源还没有富裕到足够程度的时候，是不可行的；即便资源足够富裕，效率也不够高。

问题：资源占用过多，可扩展性差

每个进程/线程同时处理多个连接（IO多路复用）

传统思路

最简单的方法是循环挨个处理各个连接，每个连接对应一个 socket，当所有 socket 都有数据的时候，这种方法是可行的。

但是当应用读取某个 socket 的文件数据不 ready 的时候，整个应用会阻塞在这里等待该文件句柄，即使别的文件句柄 ready，也无法往下处理。

思路：直接循环处理多个连接。

问题：任一文件句柄的不成功会阻塞住整个应用。

select

要解决上面阻塞的问题，思路很简单，如果我在读取文件句柄之前，先查下它的状态，ready 了就进行处理，不 ready 就不进行处理，这不就解决了这个问题了嘛？

于是有了 select 方案。用一个 fd_set 结构体来告诉内核同时监控多个文件句柄，当其中有文件句柄的状态发生指定变化（例如某句柄由不可用变为可用）或超时，则调用返回。之后应用可以使用 FD_ISSET 来逐个查看是哪个文件句柄的状态发生了变化。

这样做，小规模的连接问题不大，但当连接数很多（文件句柄个数很多）的时候，逐个检查状态就很慢了。

因此，select 往往存在管理的句柄上限（FD_SETSIZE）。同时，在使用上，因为只有一个字段记录关注和发生事件，每次调用之前要重新初始化 fd_set 结构体。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

思路：有连接请求抵达了再检查处理。

问题：句柄上限+重复初始化+逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

poll

poll 主要解决 select 的前两个问题：通过一个 pollfd 数组向内核传递需要关注的事件消除文件句柄上限，同时使用不同字段分别标注关注事件和发生事件，来避免重复初始化。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

思路：设计新的数据结构提供使用效率。

问题：逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

epoll

既然逐个排查所有文件句柄状态效率不高，很自然的，如果调用返回的时候只给应用提供发生了状态变化（很可能是数据 ready）的文件句柄，进行排查的效率不就高多了么。

epoll 采用了这种设计，适用于大规模的应用场景。

实验表明，当文件句柄数目超过 10 之后，epoll 性能将优于 select 和 poll；当文件句柄数目达到 10K 的时候，epoll 已经超过 select 和 poll 两个数量级。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

思路：只返回状态变化的文件句柄。

问题：依赖特定平台（Linux）。

因为Linux是互联网企业中使用率最高的操作系统，Epoll就成为C10K killer、高并发、高性能、异步非阻塞这些技术的代名词了。

这些操作系统提供的功能就是为了解决C10K问题:

• FreeBSD推出了kqueue，
• Linux推出了epoll
• Windows推出了IOCP，
• Solaris推出了/dev/poll。

这些操作系统提供的功能就是为了解决C10K问题。

epoll技术的编程模型就是异步非阻塞回调，也可以叫做Reactor，事件驱动，事件轮循（EventLoop）。Nginx，libevent，node.js这些就是Epoll时代的产物。

select、poll、epoll具体原理详解，

libevent

由于epoll, kqueue, IOCP每个接口都有自己的特点，程序移植非常困难，于是需要对这些接口进行封装，以让它们易于使用和移植，其中libevent库就是其中之一。

跨平台，封装底层平台的调用，提供统一的 API，但底层在不同平台上自动选择合适的调用。

按照libevent的官方网站，libevent库提供了以下功能：

当一个文件描述符的特定事件（如可读，可写或出错）发生了，或一个定时事件发生了，libevent就会自动执行用户指定的回调函数，来处理事件。

目前，libevent已支持以下接口/dev/poll, kqueue, event ports, select, poll 和 epoll。

Libevent的内部事件机制完全是基于所使用的接口的。因此libevent非常容易移植，也使它的扩展性非常容易。

目前，libevent已在以下操作系统中编译通过：Linux，BSD，Mac OS X，Solaris和Windows。

使用libevent库进行开发非常简单，也很容易在各种unix平台上移植。