高并发的epoll+线程池，业务在线程池内

Posted 2020-11-10 CTHON

我们知道，服务器并发模型通常可分为单线程和多线程模型，这里的线程通常是指“I/O线程”，即负责I/O操作，协调分配任务的“管理线程”，而实际的请求和任务通常交由所谓“工作者线程”处理。通常多线程模型下，每个线程既是I/O线程又是工作者线程。所以这里讨论的是，单I/O线程+多工作者线程的模型，这也是最常用的一种服务器并发模型。我所在的项目中的server代码中，这种模型随处可见。它还有个名字，叫“半同步/半异步“模型，同时，这种模型也是生产者/消费者（尤其是多消费者）模型的一种表现。

这种架构主要是基于I/O多路复用的思想（主要是epoll，select/poll已过时），通过单线程I/O多路复用，可以达到高效并发，同时避免了多线程I/O来回切换的各种开销，思路清晰，易于管理，而基于线程池的多工作者线程，又可以充分发挥和利用多线程的优势，利用线程池，进一步提高资源复用性和避免产生过多线程。

 

瓶颈在于IO密集度。
线程池你开10个线程当然可以一上来全部accept阻塞住，这样客户端一连上来便会自动激活一个线程去处理，但是设想一下，如果10个线程全部用掉了，第11个客户端就会发生丢弃。这样为了实现”高并发“你得不断加大线程池的数量。这样会带来严重的内存占用和线程切换的时延问题。
于是前置事件轮询设施的方案就应运而生了，
主线程轮询负责IO，作业交给线程池。
在高并发下，10W个客户端上来，就主线程负责accept，放到队列中，不至于发生没有及时握手而丢弃掉连接的情况发生，而作业线程从队列中认领作业，做完回复主线程，主线程负责write。这样可以用极少的系统资源处理大数量连接。
在低并发下，比如2个客户端上来，也不会出现100个线程hold住在那从而发生系统资源浪费的情况。

正确实现基本线程池模型的核心：
主线程负责所有的 I/O 操作，收齐一个请求所有数据之后如果有必要，交给工作线程进行处理 。处理完成之后，把需要写回的数据还给主线程去做写回 / 尝试写回数据直到阻塞，然后交回主线程继续。
这里「如果有必要」的意思是：经过测量，确认这个处理过程中所消耗的 CPU 时间（不包括任何 I/O 等待，或者相关的 I/O 等待操作无法用 epoll 接管）相当显著。如果这个处理过程（不包含可接管的 I/O 操作）不显著，则可以直接放在主线程里解决。
这个「必要」与否的前提不过三个词：假设，分析，测量。

所以，一个正确实现的线程池环境钟，用 epoll + non-blocking I/O 代替 select + blocking I/O 的好处是，处理大量 socket 的时候，前者效率比后者高，因为前者不需要每次被唤醒之后重新检查所有 fd 判断哪个 fd 的状态改变可以进行读写了。

 

关键

1、单I/O 线程epoll

实现单I/O线程的epoll模型是本架构的第一个技术要点，主要思想如下： 

单线程创建epoll并等待，有I/O请求（socket）到达时，将其加入epoll并从线程池中取一个空闲工作者线程，将实际的业务交由工作者线程处理。

伪码：

创建一个epoll实例;
while(server running)
{
    epoll等待事件;
    if(新连接到达且是有效连接)
    {
        accept此连接;
        将此连接设置为non-blocking;
　　     为此连接设置event(EPOLLIN | EPOLLET ...);

        将此连接加入epoll监听队列;
        从线程池取一个空闲工作者线程并处理此连接;
    }
    else if(读请求)
    {
        从线程池取一个空闲工作者线程并处理读请求;
    }
    else if(写请求)
    {
        从线程池取一个空闲工作者线程并处理写请求;
    }
    else
        其他事件;     
}

 

2、线程池实现

server启动时，创建一定数量的工作者线程加入线程池，如（20个），供I/O线程来取用；

每当I/O线程请求空闲工作者线程时，从池中取出一个空闲工作者线程，处理相应请求；

当请求处理完毕，关闭相应I/O连接时，回收相应线程并放回线程池中供下次使用；

若请求空闲工作者线程池时，没有空闲工作者线程，可作如下处理：

(1)若池中"管理"的线程总数不超过最大允许值，可创建一批新的工作者线程加入池中，并返回其中一个供I/O线程使用；

(2)若池中"管理"的线程总数已经达到最大值，不应再继续创建新线程， 则等待一小段时间并重试。注意因为I/O线程是单线程且不应被阻塞等待在此处，所以其实对线程池的管理应由一个专门的管理线程完成，包括创建新工作者线程等工作。此时管理线程阻塞等待（如使用条件变量并等待唤醒），一小段时间之后，线程池中应有空闲工作者线程可使用。否则server负荷估计是出了问题。

 

epoll是linux下高并发服务器的完美方案，因为是基于事件触发的，所以比select快的不只是一个数量级。

单线程epoll，触发量可达到15000，但是加上业务后，因为大多数业务都与数据库打交道，所以就会存在阻塞的情况，这个时候就必须用多线程来提速。

 

业务在线程池内，这里要加锁才行。测试结果2300个/s

 

测试工具：stressmark

因为加了适用与ab的代码，所以也可以适用ab进行压力测试。

char buf[1000] = {0};
sprintf(buf,"HTTP/1.0 200 OK\r\nContent-type: text/plain\r\n\r\n%s","Hello world!\n");
send(socketfd,buf, strlen(buf),0);