几种高性能网络模型

Posted 2021-04-07 后端技术指南针

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如何实现高并发是个热门的话题，不同的语言和平台有不同的处理手段，本文主要讲述在Linux平台下C/C++语言实现的几种高性能网络模型。

通过本文可以了解到以下内容：

• IO复用技术

• 事件处理模型

• 几种并发模型

• Memcache的网络模型
  

1.IO复用技术

IO复用是一种机制，简单说就是IO事件的到来、读写、异常等情况都有内核帮你监控了，应用程序只需要处理那些内核通知你的IO句柄即可，这种机制的前提是即使建立数万连接，某时刻可读写的fd数量只占总连接量的很小的比例，因此借助于内核事件驱动机制，就可以实现单线程的数万Socket的管理。

举个栗子：

一个大工厂很多车间，之前必须每个车间有个值班人员，per house per woker的模式，大部分情况下车间是没有异常情况的，但是为了保证万无一失，仍然需要一名工作人员。

后来引入了监控报警系统，视频音频等信息都实时传输到中控室，从而1名或数名工作人员就可以完成整个厂区的监控，大大提高效率。

IO复用就不多说了，并没有什么太多复杂之处，目前热门的epoll就是其中的悍将，至于epoll的一些详细的机制可以自行查询不再赘述了。

2.事件处理模型

网络设计模式中，如何处理各种I/O事件是其非常重要的一部分，Reactor 和Proactor两种事件处理模型应运而生，可以使用同步I/O实现Reactor模型，使用异步I/O实现Proactor模型。

• Reactor事件处理模型

Reactor模型是同步I/O事件处理的一种常见模型，其核心思想：将关注的I/O事件注册到多路复用器上，一旦有I/O事件触发，将事件分发到事件处理器中，执行就绪I/O事件对应的处理函数中。

模型中有三个重要的组件：

• 多路复用器：由操作系统提供接口，Linux提供的I/O复用接口有select、poll、epoll

• 事件分离器：将多路复用器返回的就绪事件分发到事件处理器中

• 事件处理器：处理就绪事件处理函数

典型的Reactor模型类图结构：

Reactor 类结构中包含有的主要角色：

• Handle：标示文件描述符

• Event Demultiplexer：对操作系统内核实现I/O复用接口的封装等待发生事件发生

• Event Handler：事件处理接口

• Event Handler A/B：实现应用程序所提供的特定事件处理逻辑

• Reactor：反应器定义一个接口，注册和删除关注的事件句柄、运行事件处理循环、等待就绪事件触发，分发事件到注册的回调函数。

Reactor模型工作的简化流程：

• Proactor事件处理模型

与Reactor不同的是，Proactor使用异步I/O系统接口将I/O操作托管给操作系统，Proactor模型中分发处理异步I/O完成事件，并调用相应的事件处理接口来处理业务逻辑。

Proactor类结构如图所示：

Proactor类结构中包含如下角色：

• Handle：socket句柄；

• Async Operation Processor：异步操作处理器执行异步操作，一般由内核实现

• Async Operation：异步操作

• Completion Event Queue：完成事件队列

• Proactor：主动器 为应用程序进程提供事件循环，从完成事件队列中取出异步操作的结果，分发调用相应的后续处理逻辑

• Completion Handler：完成事件接口，一般由回调函数组成

• Completion Handler A/B：实现接口定义特定的应用处理逻辑。

  
  

Proactor模型的简化的工作流程:

Proactor利用异步I/O并行能力带来更高的效率，但同时增加了编程复杂度。windows对异步I/O提供了很好的支持，而Linux对异步I/O操作支持并不是特别理想，因此Linux平台上还是以Reactor模型为主，Boost asio采用的是Proactor模型。

3.并发模式

在I/O密集型的程序，采用并发方式可以提高CPU的使用率，可采用多进程和多线程两种方式实现并发。

其中包括半同步/半异步模式、半同步/半反应堆模式、 半同步/ 半 反应堆模式改进版、Follower/Leader模式。

• 同步和异步概念
  

并发模式中的同步异步和 I/O模型中的同步异步并不一样：

• 并发模式中同步指程序按照代码顺序执行，异步指程序依赖事件驱动

• I/O模型中同步异步用来区分是主动读取数据结构，还是内核帮忙完成数据的读取再返回给线程

• 半同步/半异步HAHS模式
  

半异步/半同步模式 Half-Sync/Half-Async简称HSHA，是说这个网络模型中异步和同步都存在，IO层是异步处理，业务处理是同步，因此需要依赖于内核的异步IO机制。

HSHA模式工作流程如图：

• 异步线程监听到事件后，由内核完成读取数据，异步将其封装为请求对象插入到请求队列中

• 请求队列有新的请求对象，通知同步线程获取请求对象，这个对象是包含了数据的结构，并不是fd

• 同步线程处理请求对象，实现业务逻辑

综上可知当客户端发送请求时，服务端接收数据是异步的，工作线程从队列收到数据之后是同步的，所以称为半同步/半异步。

• 半同步/半反应堆HSHR模式

由于HAHS模式依赖于内核的异步IO支持，Linux本身AIO并不理想，因此可以借助于epoll等IO多路复用来模拟这个过程，但是本质上epoll仍然是同步的，因为连接的数据仍然需要自己来读取，因此epoll返回的只是活跃的fd。

半同步/半反应堆模式 Half-Sync/Half-Reactor简称HS HR，和HAHS模式很类似，区别在于IO层使用epoll多路复用并非纯异步IO实现，数据处理线程和IO线程之间仍然通过队列来实现数据传输，但是相比HSHA来说，HSHR模式传输的是活跃fd而不是读取的数据。

虽然HSHR模式克服了对纯异步IO的依赖，但是基础版本的HSHR模式，IO线程完成连接的到达处理和响应处理，也就是同时监听新连接和已建立的连接，并且基于队列与后面的工作线程传输数据，在非常高的并发场景可能存在瓶颈，因此后续有对此的改进版本。

• 半同步/半反应堆模式的改进版

HSHR模式中单一IO线程既要处理新连接又要监控已连接fd的读写事件，因此改进版本增加从线程进行已连接fd的读写事件监听，原来的IO主线程只负责处理新连接，然后将建立的fd扔给从线程进行监听读写事件。

有的地方也称之为主从Reactor模式，如图：

其工作流程为：

• 主线程实现连接监听，只处理网络I/O连接事件

• 新的连接fd分发至工作线程中，这些fd上的I/O事件都由该工作线程处理，工作线程都可以处理多个fd的读写事件

• 工作线程独立维护自己的事件循环，监听不同连接fd的I/O事件

• 处理任务可以使用线程池或者从线程自己处理

• 领导者/追随者LF模式

Follower/Leader模式是多个工作线程轮流进行事件监听、事件分发、处理事件的模式。任何一个时间点，只有一个工作线程处理成为Leader负责I/O事件监听，而其他线程都是Follower，并等待成为Leader。

Follower/Leader模式的工作流概述如下：

• 当前Leader Thread监听到就绪事件后，从Follower 线程集中推选出 空闲Thread成为新的Leader

• 新的Leader Thread继续I/O监听

• 之后继续处理I/O就绪事件，执行完后加入到Follower 线程集中，等待成为Leader

从上描述，Leader/Follower模式的工作线程存在三种状态，工作线程同一时间只能处于一种状态，这三种状态为：

• Leader：线程处于领导者状态，负责监听I/O事件；

• Processing：线程处理就绪I/O事件；

• Follower：等待成为新的领导者或者可能被当前Leader指定处理就绪事件。

4.Memcache网络模型分析

Memcached采用了很典型的Master-Worker模型，采用的是多线程而不是多进程. 主线程Master接收连接, 然后把连接分派给工作线程Worker，工作线程处理业务逻辑。

核心的共享数据是消息队列，主线程会把收到的事件请求放入队列，随后调度程序会选择一个空闲的Worker线程来从队列中取出事件请求进行处理Memcached使用libevent实现事件循环，如图：

5.参考资料

• https://tech.youzan.com/yi-bu-wang-luo-mo-xing/

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/58860015

• http://xiaobaoqiu.github.io/blog/2014/11/03/memcachedwang-luo-mo-xing/

• 《Linux高性能服务器编程》游双

6.往期精彩