读书笔记：多线程服务器的适用场合

Posted 2020-09-28 Alex Logs

　　声明：以下内容若无特别说明，均指Linux服务器环境下，传输层协议为TCP、主要开发语言为C++。

　　开发服务器端程序最基础的工作就是处理并发连接，服务器端网络编程处理并发连接主要有以下两种方式：

• 当线程廉价时，一台机器上可以创建远多于机器CPU物理线程数的“线程”，这是一个线程只处理一个TCP连接，通常使用阻塞IO(至少看起来如此)。例如Go goroutine、Erlang actor。这里的线程由语言runtime调用，与操作系统的线程不是一回事。
• 当线程很宝贵时，一台机器上只能创建与机器CPU数目相当的线程。这是，一个线程处理多个 TCP连接上的IO，通常使用非阻塞IO和IO多路复用。例如libevent、boost.asio。这是原生线程，能被操作系统的任务调度器看见。

　　对于C++服务器端开发，只考虑后一种方式。

　　首先，一个有多台机器组成的分布式系统必然是多进程的，因为进程不能跨操作系统边界。在这个前提下，我们把目标集中到一台机器，一台至少拥有4核心的普通服务器。如果要在一台多核服务器上提供一个服务，可用的模式有：

1. 运行一个单线程的进程：模式1是不可伸缩的（scalable），不能发挥多核机器的计算能力。
2. 运行一个多线程的进程：模式2难写。
3. 运行多个单线程的进程：a)简单地把模式1的进程运行多份，b)主进程+worker进程，如果必须要绑定到一个TCP port。
4. 运行多个多线程的进程：模式4不但没有结合2和3的优点，反而结合了2和3的缺点。

重点讨论2和3b）的优劣，即：什么时候一个服务器程序应该是多线程（模式2）的？从功能上讲，没有什么是多线程能做到而单线程做不到的，反之亦然。从性能上讲，无论是IO bound还是CPU bound的服务，多线程都没有什么优势。如以下情况

1.单线程的适用场景

　　一般有两种场景必须适用单线程;

• 程序可能会fork()：如集群中在计算节点上负责启动任务的的的守护进程（即“看门狗”程序）。
• 限制CPU占用率：例如一个8核的服务器上，一个单线程的程序即便发生busy-wait，占满一个核心，其CPU使用率也只有12.5%。最坏情况下仍有87.5%的计算资源可用。

从编程的角度上说，单线程优势就是：简单。程序的结构一般是一个IO多路复用的event loop，直接使用阻塞IO。Event loop有一个明显的缺点：它是非抢占的，耗时短且优先级高的的task可能需要等到的耗时长且优先级低的task完成后才能进行，相当于发生了优先级反转。前面我说，无论是IO bound还是CPU bound，多线程都没有什么绝对意义上的优势。这句话的意思是，如果用很少的CPU负载就能让IO跑满，或者用很少的IO流量就能让CPU跑满，那么多线程没啥用。前者例子很多，如静态web服务器，或者FTP服务器，CPU的负载很轻，主要瓶颈在网络IO和磁盘IO。这个时候一个单线程程序就能撑满IO。增加CPU的数目也不能提升吞吐量。CPU跑满的情况较少见，如subset sun问题，对于这种情况3a）最适合，发挥多核优势。

　　也就是说，如果一方早早地先到达的瓶颈，多线程程序都没什么优势。

2.多线程的适用场景

　　多线程的适用场景是：提高响应速度，让IO和计算相互重叠，降低延时。虽然多线程不能提高绝对性能，但是可以提高平均响应性能。一个程序要做成多线程程序，大致要满足：

• 有多个CPU可用。单核上多线程没有性能优势（但是或许可简化并发业务逻辑的实现）。
• 多线程可有效地划分责任和功能模块，让每一个线程的逻辑简单，任务单一，便于编码。而不是把所有逻辑塞到一个event loop中，不同类别的事件之间相互影响。
• 线程中有共享数据，即内存的全局状态。但是应该尽量减少线程间的共享数据。
• 共享的数据可以修改，不是静态的。如果数据是静态的，利用进程间shared memory，模式3即可。
• 事件的响应有优先级。可以用专门的线程来处理优先级高的事件。
• 时延和吞吐量同样重要，不是简单的IO bound或CPU bound程序。
• 利用异步操作。无论往磁盘写log file，还是往log server发消息都不该阻塞关键路径。
• 具有可预测的性能。随着负载增加，性能缓慢下降，超过某个临界点后计算下降。线程数目不随负载变化。

例子暂略。

线程的分类

　　一个多线程服务程序中大致可以分为3类：

1. IO线程。这类线程的主循环是IO多路复用，阻塞地等在select/poll/epoll_wait系统调用上。这类线程也处理定时时间。当然也不全是IO处理，一些简单的计算也可以放入其中，如消息的编码解码。
2. 计算线程，这类线程的主循环是阻塞队列，阻塞地等在条件变量上。这类线程一般在线程池中。这种线程通常不涉及IO，一般要避免任何阻塞操作。
3. 第三方库所用的线程，比如logging，又比如database connection。

　　服务器端程序一般不会频繁启动或终止线程。