Linux高性能服务器架构设计方法是什么
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一、框架篇
我们先从单个服务程序的组织结构开始介绍。
(一)、网络通信
既然是服务器程序肯定会涉及到网络通信部分，那么服务器程序的网络通信模块要解决哪些问题?
笔者认为至少要解决以下问题：
1. 如何检测有新客户端连接?
2. 如何接受客户端连接?
3. 如何检测客户端是否有数据发来?
4.如何收取客户端发来的数据?
5.如何检测连接异常?发现连接异常之后，如何处理?
6.如何给客户端发送数据?
7.如何在给客户端发完数据后关闭连接?
稍微有点网络基础的人，都能回答上面说的其中几个问题，比如接收客户端连接用socket API的accept函数，收取客户端数据用recv函数，给客户端发送数据用send函数，检测客户端是否有新连接和客户端是否有新数据可以用IO multiplexing技术(IO复用)的select、poll、epoll等socket API。确实是这样的，这些基础的socket API构成了服务器网络通信的地基，不管网络通信框架设计的如何巧妙，都是在这些基础的socket API的基础上构建的。但是如何巧妙地组织这些基础的socket API，才是问题的关键。我们说服务器很高效，支持高并发，实际上只是一个技术实现手段，不管怎样从软件开发的角度来讲无非就是一个程序而已，所以，只要程序能最大可能地满足“尽量减少等待”就是高效。也就是说高效不是“忙的忙死，闲的闲死”，而是大家都可以闲着，但是如果有活要干，大家尽量一起干，而不是一部分忙着依次做事情123456789，另外一部分闲在那里无所事事。说的可能有点抽象，下面我们来举一些例子具体来说明一下。
比如默认recv函数如果没有数据的时候，线程就会阻塞在那里;
默认send函数，如果tcp窗口不是足够大，数据发不出去也会阻塞在那里;
connect函数默认连接另外一端的时候，也会阻塞在那里;
又或者是给对端发送一份数据，需要等待对端回答，如果对方一直不应答，当前线程就阻塞在这里。
以上都不是高效服务器的开发思维方式，因为上面的例子都不满足“尽量减少等待”的原则，为什么一定要等待呢?有没用一种方法，这些过程不需要等待，最好是不仅不需要等待，而且这些事情完成之后能通知我。这样在这些本来用于等待的cpu时间片内，我就可以做一些其他的事情。有，也就是我们下文要讨论的IO Multiplexing技术(IO复用技术)。
(二)、几种IO复用机制的比较
目前windows系统支持select、WSAAsyncSelect、WSAEventSelect、完成端口(IOCP)，linux系统支持select、poll、epoll。这里我们不具体介绍每个具体的函数的用法，我们来讨论一点深层次的东西，以上列举的API函数可以分为两个层次：
层次一 select和poll
层次二 WSAAsyncSelect、WSAEventSelect、完成端口(IOCP)、epoll
为什么这么分呢?先来介绍第一层次，select和poll函数本质上还是在一定时间内主动去查询socket句柄(可能是一个也可能是多个)上是否有事件，比如可读事件，可写事件或者出错事件，也就是说我们还是需要每隔一段时间内去主动去做这些检测，如果在这段时间内检测出一些事件来，我们这段时间就算没白花，但是倘若这段时间内没有事件呢?我们只能是做无用功了，说白了，还是在浪费时间，因为假如一个服务器有多个连接，在cpu时间片有限的情况下，我们花费了一定的时间检测了一部分socket连接，却发现它们什么事件都没有，而在这段时间内我们却有一些事情需要处理，那我们为什么要花时间去做这个检测呢?把这个时间用在做我们需要做的事情不好吗?所以对于服务器程序来说，要想高效，我们应该尽量避免花费时间主动去查询一些socket是否有事件，而是等这些socket有事件的时候告诉我们去处理。这也就是层次二的各个函数做的事情，它们实际相当于变主动查询是否有事件为当有事件时，系统会告诉我们，此时我们再去处理，也就是“好钢用在刀刃”上了。只不过层次二的函数通知我们的方式是各不相同，比如WSAAsyncSelect是利用windows消息队列的事件机制来通知我们设定的窗口过程函数，IOCP是利用GetQueuedCompletionStatus返回正确的状态，epoll是epoll_wait函数返回而已。
比如connect函数连接另外一端，如果连接socket是异步的，那么connect虽然不能立刻连接完成，但是也是会立刻返回，无需等待，等连接完成之后，WSAAsyncSelect会返回FD_CONNECT事件告诉我们连接成功，epoll会产生EPOLLOUT事件，我们也能知道连接完成。甚至socket有数据可读时，WSAAsyncSelect产生FD_READ事件，epoll产生EPOLLIN事件，等等。所以有了上面的讨论，我们就可以得到网络通信检测可读可写或者出错事件的正确姿势。这是我这里提出的第二个原则：尽量减少做无用功的时间。这个在服务程序资源够用的情况下可能体现不出来什么优势，但是如果有大量的任务要处理，个人觉得这个可能带来无用
(三)、检测网络事件的正确姿势
根据上面的介绍，第一，为了避免无意义的等待时间，第二，不采用主动查询各个socket的事件，而是采用等待操作系统通知我们有事件的状态的策略。我们的socket都要设置成异步的。在此基础上我们回到栏目(一)中提到的七个问题：
1. 如何检测有新客户端连接?
2. 如何接受客户端连接?
默认accept函数会阻塞在那里，如果epoll检测到侦听socket上有EPOLLIN事件，或者WSAAsyncSelect检测到有FD_ACCEPT事件，那么就表明此时有新连接到来，这个时候调用accept函数，就不会阻塞了。当然产生的新socket你应该也设置成非阻塞的。这样我们就能在新socket上收发数据了。
3. 如何检测客户端是否有数据发来?
4.如何收取客户端发来的数据?
同理，我们也应该在socket上有可读事件的时候才去收取数据，这样我们调用recv或者read函数时不用等待，至于一次性收多少数据好呢?我们可以根据自己的需求来决定，甚至你可以在一个循环里面反复recv或者read，对于非阻塞模式的socket，如果没有数据了，recv或者read也会立刻返回，错误码EWOULDBLOCK会表明当前已经没有数据了。示例：
bool CIUSocket::Recv() { int nRet = 0; while(true) { char buff[512]; nRet = ::recv(m_hSocket, buff, 512, 0); if(nRet == SOCKET_ERROR) //一旦出现错误就立刻关闭Socket { if (::WSAGetLastError() == WSAEWOULDBLOCK) break; else return false; } else if(nRet < 1) return false; m_strRecvBuf.append(buff, nRet); ::Sleep(1); } return true; }5.如何检测连接异常?发现连接异常之后，如何处理?
同样当我们收到异常事件后例如EPOLLERR或关闭事件FD_CLOSE，我们就知道了有异常产生，我们对异常的处理一般就是关闭对应的socket。另外，如果send/recv或者read/write函数对一个socket进行操作时，如果返回0，那说明对端已经关闭了socket，此时这路连接也没必要存在了，我们也可以关闭对应的socket。
6.如何给客户端发送数据?
给客户端发送数据，比收数据要稍微麻烦一点，也是需要讲点技巧的。首先我们不能像检测数据可读一样检测数据可写，因为如果检测可写的话，一般情况下只要对端正常收取数据，我们的socket就都是可写的，如果我们设置监听可写事件，会导致频繁地触发可写事件，但是我们此时并不一定有数据需要发送。所以正确的做法是：如果有数据要发送，则先尝试着去发送，如果发送不了或者只发送出去部分，剩下的我们需要将其缓存起来，然后设置检测该socket上可写事件，下次可写事件产生时，再继续发送，如果还是不能完全发出去，则继续设置侦听可写事件，如此往复，一直到所有数据都发出去为止。一旦所有数据都发出去以后，我们要移除侦听可写事件，避免无用的可写事件通知。不知道你注意到没有，如果某次只发出去部分数据，剩下的数据应该暂且存起来，这个时候我们就需要一个缓冲区来存放这部分数据，这个缓冲区我们称为“发送缓冲区”。发送缓冲区不仅存放本次没有发完的数据，还用来存放在发送过程中，上层又传来的新的需要发送的数据。为了保证顺序，新的数据应该追加在当前剩下的数据的后面，发送的时候从发送缓冲区的头部开始发送。也就是说先来的先发送，后来的后发送。
7.如何在给客户端发完数据后关闭连接?
这个问题比较难处理，因为这里的“发送完”不一定是真正的发送完，我们调用send或者write函数即使成功，也只是向操作系统的协议栈里面成功写入数据，至于能否被发出去、何时被发出去很难判断，发出去对方是否收到就更难判断了。所以，我们目前只能简单地认为send或者write返回我们发出数据的字节数大小，我们就认为“发完数据”了。然后调用close等socket API关闭连接。关闭连接的话题，我们再单独开一个小的标题来专门讨论一下。
(四)被动关闭连接和主动关闭连接
在实际的应用中，被动关闭连接是由于我们检测到了连接的异常事件，比如EPOLLERR，或者对端关闭连接，send或recv返回0，这个时候这路连接已经没有存在必要的意义了，我们被迫关闭连接。
而主动关闭连接，是我们主动调用close/closesocket来关闭连接。比如客户端给我们发送非法的数据，比如一些网络攻击的尝试性数据包。这个时候出于安全考虑，我们关闭socket连接。
(五)发送缓冲区和接收缓冲区
上面已经介绍了发送缓冲区了，并说明了其存在的意义。接收缓冲区也是一样的道理，当收到数据以后，我们可以直接进行解包，但是这样并不好，理由一：除非一些约定俗称的协议格式，比如http协议，大多数服务器的业务的协议都是不同的，也就是说一个数据包里面的数据格式的解读应该是业务层的事情，和网络通信层应该解耦，为了网络层更加通用，我们无法知道上层协议长成什么样子，因为不同的协议格式是不一样的，它们与具体的业务有关。理由二：即使知道协议格式，我们在网络层进行解包处理对应的业务，如果这个业务处理比较耗时，比如读取磁盘文件，或者连接数据库进行账号密码验证，那么我们的网络线程会需要大量时间来处理这些任务，这样其它网络事件可能没法及时处理。鉴于以上二点，我们确实需要一个接收缓冲区，将收取到的数据放到该缓冲区里面去，并由专门的业务线程或者业务逻辑去从接收缓冲区中取出数据，并解包处理业务。
说了这么多，那发送缓冲区和接收缓冲区该设计成多大的容量?这是一个老生常谈的问题了，因为我们经常遇到这样的问题：预分配的内存太小不够用，太大的话可能会造成浪费。怎么办呢?答案就是像string、vector一样，设计出一个可以动态增长的缓冲区，按需分配，不够还可以扩展。
需要特别注意的是，这里说的发送缓冲区和接收缓冲区是每一个socket连接都存在一个。这是我们最常见的设计方案。
(六)协议的设计
除了一些通用的协议，如http、ftp协议以外，大多数服务器协议都是根据业务制定的。协议设计好了，数据包的格式就根据协议来设置。我们知道tcp/ip协议是流式数据，所以流式数据就是像流水一样，数据包与数据包之间没有明显的界限。比如A端给B端连续发了三个数据包，每个数据包都是50个字节，B端可能先收到10个字节，再收到140个字节;或者先收到20个字节，再收到20个字节，再收到110个字节;也可能一次性收到150个字节。这150个字节可以以任何字节数目组合和次数被B收到。所以我们讨论协议的设计第一个问题就是如何界定包的界线，也就是接收端如何知道每个包数据的大小。目前常用有如下三种方法：
固定大小，这种方法就是假定每一个包的大小都是固定字节数目，比如上文中讨论的每个包大小都是50个字节，接收端每收气50个字节就当成一个包;
指定包结束符，比如以一个\r\n(换行符和回车符)结束，这样对端只要收到这样的结束符，就可以认为收到了一个包，接下来的数据是下一个包的内容;
指定包的大小，这种方法结合了上述两种方法，一般包头是固定大小，包头中有一个字段指定包体或者整个大的大小，对端收到数据以后先解析包头中的字段得到包体或者整个包的大小，然后根据这个大小去界定数据的界线。
协议要讨论的第二个问题是，设计协议的时候要尽量方便解包，也就是说协议的格式字段应该尽量清晰明了。
协议要讨论的第三个问题是，根据协议组装的数据包应该尽量小，这样有如下好处：第一、对于一些移动端设备来说，其数据处理能力和带宽能力有限，小的数据不仅能加快处理速度，同时节省大量流量费用;第二、如果单个数据包足够小的话，对频繁进行网络通信的服务器端来说，可以大大减小其带宽压力，其所在的系统也能使用更少的内存。试想：假如一个股票服务器，如果一只股票的数据包是100个字节或者1000个字节，那100只股票和10000只股票区别呢?
协议要讨论的第二个问题是，对于数值类型，我们应该显式地指定数值的长度，比如long型，如果在32位机器上是32位的4个字节，但是如果在64位机器上，就变成了64位8个字节了。这样同样是一个long型，发送方和接收方可能会用不同的长度去解码。所以建议最好，在涉及到跨平台使用的协议最好显式地指定协议中整型字段的长度，比如int32,int64等等。下面是一个协议的接口的例子：
class BinaryReadStream { private: const char* const ptr; const size_t len; const char* cur; BinaryReadStream(const BinaryReadStream&); BinaryReadStream& operator=(const BinaryReadStream&); public: BinaryReadStream(const char* ptr, size_t len); virtual const char* GetData() const; virtual size_t GetSize() const; bool IsEmpty() const; bool ReadString(string* str, size_t maxlen, size_t& outlen); bool ReadCString(char* str, size_t strlen, size_t& len); bool ReadCCString(const char** str, size_t maxlen, size_t& outlen); bool ReadInt32(int32_t& i); bool ReadInt64(int64_t& i); bool ReadShort(short& i); bool ReadChar(char& c); size_t ReadAll(char* szBuffer, size_t iLen) const; bool IsEnd() const; const char* GetCurrent() const{ return cur; } public: bool ReadLength(size_t & len); bool ReadLengthWithoutOffset(size_t &headlen, size_t & outlen); }; class BinaryWriteStream { public: BinaryWriteStream(string* data); virtual const char* GetData() const; virtual size_t GetSize() const; bool WriteCString(const char* str, size_t len); bool WriteString(const string& str); bool WriteDouble(double value, bool isNULL = false); bool WriteInt64(int64_t value, bool isNULL = false); bool WriteInt32(int32_t i, bool isNULL = false); bool WriteShort(short i, bool isNULL = false); bool WriteChar(char c, bool isNULL = false); size_t GetCurrentPos() const{ return m_data->length(); } void Flush(); void Clear(); private: string* m_data; };其中BinaryWriteStream是编码协议的类，BinaryReadStream是解码协议的类。可以按下面这种方式来编码和解码。
编码：
std::string outbuf; BinaryWriteStream writeStream(&outbuf); writeStream.WriteInt32(msg_type_register); writeStream.WriteInt32(m_seq); writeStream.WriteString(retData); writeStream.Flush();
解码：
BinaryReadStream readStream(strMsg.c_str(), strMsg.length()); int32_t cmd; if (!readStream.ReadInt32(cmd)) { return false; } //int seq; if (!readStream.ReadInt32(m_seq)) { return false; } std::string data; size_t datalength; if (!readStream.ReadString(&data, 0, datalength)) { return false; }(七)、服务器程序结构的组织
由于内容过多，后续会单独组织一篇文章详细介绍
二、架构篇
一个项目的服务器端往往由很多服务组成，就算单个服务在性能上做到极致，支持的并发数量也是有限的，举个简单的例子，假如一个聊天服务器，每个用户的信息是1k，那对于一个8G的内存的机器，在不考虑其它的情况下8*1024*1024*1024 / 100 = 1024，实际有838万，但实际这只是非常理想的情况。所以我们有时候需要需要某个服务部署多套，就单个服务的实现来讲还是《框架篇》中介绍的。我们举个例子：
这是蘑菇街TeamTalk的服务器架构。MsgServer是聊天服务，可以部署多套，每个聊天服务器启动时都会告诉loginSever和routeSever自己的ip地址和端口号，当有用户上下或者下线的时候，MsgServer也会告诉loginSever和routeSever自己上面最新的用户数量和用户id列表。现在一个用户需要登录，先连接loginServer，loginServer根据记录的各个MsgServer上的用户情况，返回一个最小负载的MsgServer的ip地址和端口号给客户端，客户端再利用这个ip地址和端口号去登录MsgServer。当聊天时，位于A MsgServer上的用户给另外一个用户发送消息，如果该用户不在同一个MsgServer上，MsgServer将消息转发给RouteServer，RouteServer根据自己记录的用户id信息找到目标用户所在的MsgServer并转发给对应的MsgServer。
上面是分布式部署的一个例子。我们再来看另外一个例子，这个例子是单个服务的策略，实际服务器在处理网络数据的时候，如果同时有多个socket上有数据要处理，可能会出现一直服务前几个socket，直到前几个socket处理完毕后再处理后面几个socket的数据。这就相当于，你去饭店吃饭，大家都点了菜，但是有些桌子上一直在上菜，而有些桌子上一直没有菜。这样肯定不好，我们来看下如何避免这种现象：
int CFtdEngine::HandlePackage(CFTDCPackage *pFTDCPackage, CFTDCSession *pSession) { //NET_IO_LOG0("CFtdEngine::HandlePackage\n"); FTDC_PACKAGE_DEBUG(pFTDCPackage); if (pFTDCPackage->GetTID() != FTD_TID_ReqUserLogin) { if (!IsSessionLogin(pSession->GetSessionID())) { SendErrorRsp(pFTDCPackage, pSession, 1, "客户未登录"); return 0; } } CalcFlux(pSession, pFTDCPackage->Length()); //统计流量 REPORT_EVENT(LOG_DEBUG, "Front/Fgateway", "登录请求%0x", pFTDCPackage->GetTID()); int nRet = 0; switch(pFTDCPackage->GetTID()) { case FTD_TID_ReqUserLogin: ///huwp：20070608：检查过高版本的API将被禁止登录 if (pFTDCPackage->GetVersion()>FTD_VERSION) { SendErrorRsp(pFTDCPackage, pSession, 1, "Too High FTD Version"); return 0; } nRet = OnReqUserLogin(pFTDCPackage, (CFTDCSession *)pSession); FTDRequestIndex.incValue(); break; case FTD_TID_ReqCheckUserLogin: nRet = OnReqCheckUserLogin(pFTDCPackage, (CFTDCSession *)pSession); FTDRequestIndex.incValue(); break; case FTD_TID_ReqSubscribeTopic: nRet = OnReqSubscribeTopic(pFTDCPackage, (CFTDCSession *)pSession); FTDRequestIndex.incValue(); break; } return 0; }当有某个socket上有数据可读时，接着接收该socket上的数据，对接收到的数据进行解包，然后调用CalcFlux(pSession, pFTDCPackage->Length())进行流量统计：
void CFrontEngine::CalcFlux(CSession *pSession, const int nFlux) { TFrontSessionInfo *pSessionInfo = m_mapSessionInfo.Find(pSession->GetSessionID()); if (pSessionInfo != NULL) { //流量控制改为计数 pSessionInfo->nCommFlux ++; ///若流量超过规定，则挂起该会话的读操作 if (pSessionInfo->nCommFlux >= pSessionInfo->nMaxCommFlux) { pSession->SuspendRead(true); } } }该函数会先让某个连接会话(Session)处理的包数量递增，接着判断是否超过最大包数量，则设置读挂起标志：
void CSession::SuspendRead(bool bSuspend) { m_bSuspendRead = bSuspend; }这样下次将会从检测的socket列表中排除该socket：
void CEpollReactor::RegisterIO(CEventHandler *pEventHandler) { int nReadID, nWriteID; pEventHandler->GetIds(&nReadID, &nWriteID); if (nWriteID != 0 && nReadID ==0) { nReadID = nWriteID; } if (nReadID != 0) { m_mapEventHandlerId[pEventHandler] = nReadID; struct epoll_event ev; ev.data.ptr = pEventHandler; if(epoll_ctl(m_fdEpoll, EPOLL_CTL_ADD, nReadID, &ev) != 0) { perror("epoll_ctl EPOLL_CTL_ADD"); } } } void CSession::GetIds(int *pReadId, int *pWriteId) { m_pChannelProtocol->GetIds(pReadId,pWriteId); if (m_bSuspendRead) { *pReadId = 0; } }也就是说不再检测该socket上是否有数据可读。然后在定时器里1秒后重置该标志，这样这个socket上有数据的话又可以重新检测到了：
const int SESSION_CHECK_TIMER_ID = 9; const int SESSION_CHECK_INTERVAL = 1000; SetTimer(SESSION_CHECK_TIMER_ID, SESSION_CHECK_INTERVAL); void CFrontEngine::OnTimer(int nIDEvent) { if (nIDEvent == SESSION_CHECK_TIMER_ID) { CSessionMap::iterator itor = m_mapSession.Begin(); while (!itor.IsEnd()) { TFrontSessionInfo *pFind = m_mapSessionInfo.Find((*itor)->GetSessionID()); if (pFind != NULL) { CheckSession(*itor, pFind); } itor++; } } } void CFrontEngine::CheckSession(CSession *pSession, TFrontSessionInfo *pSessionInfo) { ///重新开始计算流量 pSessionInfo->nCommFlux -= pSessionInfo->nMaxCommFlux; if (pSessionInfo->nCommFlux < 0) { pSessionInfo->nCommFlux = 0; } ///若流量超过规定，则挂起该会话的读操作 pSession->SuspendRead(pSessionInfo->nCommFlux >= pSessionInfo->nMaxCommFlux); }这就相当与饭店里面先给某一桌客人上一些菜，让他们先吃着，等上了一些菜之后不会再给这桌继续上菜了，而是给其它空桌上菜，大家都吃上后，继续回来给原先的桌子继续上菜。实际上我们的饭店都是这么做的。上面的例子是单服务流量控制的实现的一个非常好的思路，它保证了每个客户端都能均衡地得到服务，而不是一些客户端等很久才有响应。
另外加快服务器处理速度的策略可能就是缓存了，缓存实际上是以空间换取时间的策略。对于一些反复使用的，但是不经常改变的信息，如果从原始地点加载这些信息就比较耗时的数据(比如从磁盘中、从数据库中)，我们就可以使用缓存。所以时下像redis、leveldb、fastdb等各种内存数据库大行其道。我在flamingo中用户的基本信息都是缓存在聊天服务程序中的，而文件服务启动时会去加载指定目录里面的所有程序名称，这些文件的名称都是md5，为该文件内容的md5。这样当客户端上传了新文件请求时，如果其传上来的文件md5已经位于缓存中，则表明该文件在服务器上已经存在，这个时候服务器就不必再接收该文件了，而是告诉客户端文件已经上传成功了。
到此，相信大家对“Linux高性能服务器架构设计方法是什么”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是创新互联网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！
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