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深度探讨Linux系统下网络编程的高性能

PhpStorm macOS版
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PhpStorm 是 JetBrains 推出的专业 PHP 集成开发环境,可在 Mac 上完成代码编写、智能检查、重构、调试、测试和数据库管理。它支持主流 PHP 框架、Composer、Git、Docker 与远程解释器。

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《Linux高性能网络编程十谈》十篇技术博客已经写完几个月了,想着还是写点总结来回顾一下这几年的工作,说来在鹅厂两次经历加起来也快8年,虽然很多时候在做螺丝钉的事情,不过细想自己的高性能架构演进的经历,从参与,优化到最后设计架构,从中还是学到了很多东西。1、提前设计还是业务演进?大家应该都经历过项目从0到1的过程,我想提一个问题:很多时候的架构是随着业务演进还是提前设计呢?有人可能已经研究过相关的架构书籍,这些书籍大多认为架构是随着业务发展而演变的。然而,也有许多架构师坚持认为架构应该提前设计。在此,我暂

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    《Linux高性能网络编程十谈》十篇技术博客已经写完几个月了,想着还是写点总结来回顾一下这几年的工作,说来在鹅厂两次经历加起来也快8年,虽然很多时候在做螺丝钉的事情,不过细想自己的高性能架构演进的经历,从参与,优化到最后设计架构,从中还是学到了很多东西。

    Linux高性能网络编程十谈

    1、提前设计还是业务演进?

    大家应该都经历过项目从0到1的过程,我想提一个问题:很多时候的架构是随着业务演进还是提前设计呢?

    有人可能已经研究过相关的架构书籍,这些书籍大多认为架构是随着业务发展而演变的。然而,也有许多架构师坚持认为架构应该提前设计。在此,我暂时不做结论,而是通过我自己的经历来探讨架构的演进。

    2、从PHP到C++

    2.1 简单的PHP架构

    PHP作为一门简单便捷的语言,在大厂各个部门应该都有身影,当时我工作用的两种语言:C++和PHP,使用PHP开发功能很快,而且有很多成熟的库,因此组成了经典的nginx
    + php-fpm + memcache架构。

    Linux高性能网络编程十谈php架构

    在当前架构下单台8c8g机器支持1000qps问题不大,所以对于业务当前1wqps都不到,显然多堆几台机器就可以支持了。对于缓存层的设计,在redis还不是发展很好的情况下,memcache是当时缓存组件的主流,而且对于业务和对接PHP简单。但是随着业务的发展,按照当时计算曲线可能一年以内会到5wqps,用nginx
    + php-fpm + memcache架构是不是合理?经过讨论后的目标是服务端高性能,于是开始了高性能的探索之旅。

    2.2 多进程的框架

    在当时,为了实现高性能服务端框架,人们尝试了一些方案,其中之一是利用PHP插件功能将Server的功能整合到脚本语言中。这种方法在一定程度上实现了高性能的目标。例如,现在PHP的swoole就是这种方法的一个发展结果。

    Linux高性能网络编程十谈php-server

    不过这里会面临一些需要解决的问题:

    • 熟悉PHP扩展的使用场景,防止踩坑
    • PHP本身使用上的内存泄漏问题
    • 出现问题时的排查成本,比如一旦出现问题,我们有时候需要去了解PHP源码,但是面对几十万行代码,这个成本是相当高
    • PHP使用上简单,这个实际相对的,随着Docker的崛起,单机时代必然会过去,PHP的生态是不是能支持
    • …

    基于以上思考和对业务发展的分析,其实我们自己实现一个或者使用现有的C++框架实现一套业务层的Server应该更合理,于是经过考虑采用了公司内的SPP框架,其架构如下:

    Linux高性能网络编程十谈SPP框架架构

    可以看出SPP是多进程架构,其架构类似Nginx,分为Proxy进程和Worker进程,其中:

    • proxy进程使用handle_init执行初始化,handle_route转发到指定执行的worker处理进程,handle_input处理请求的入包
    • worker进程使用handle_init执行初始化,handle_process处理包和业务逻辑并返回

    使用C++的架构后,单机性能直接提升到6kqps,基本已经满足性能上的要求,可以在相同的机器下支持更多的业务,看似已经可以将架构稳定下来了。

    2.3 引入协程

    使用C++在性能上已经满足需求,但是在开发效率上却存在众多问题,比如访问redis,为了保持服务的高性能,代码逻辑上都采用异步回调,类似如下:

    ...
    int ret = redis->GetString(k, getValueCallback)
    ...

    其中getValueCallback就是回调函数,如果出现很多io操作,这里回调就会非常麻烦,即使封装为类似同步方式,在处理上也非常麻烦,当时还没有引入std::future和std::async。

    另一方面基于后续的qps可能到10~20w量级,协程在多io的服务处理的性能上也会更有优势,于是开始了协程方式改造,将io的地方全部替换为协程调用,对于业务开发来说,代码上就变成了这样:

    ...
    int ret = redis->GetString(k, value)
    ...

    其中value就是可以直接用的返回值,一旦代码中有io的地方,底层就会将io替换为协程的API,这样阻塞的io操作就全部变成同步化原语,代码结构和开发效率都提升不少(具体的协程实现可以参考系列文章的《Linux高性能网络编程十谈|协程》)。

    Linux高性能网络编程十谈协程

    从架构上还是没有太多变化,多进程+协程的方式,支持着业务发展几年时间,虽然性能上没有指数增长,但是对于高性能探索和沉淀上已经有了更多经验。

    3、云原生

    业务继续发展,而工程师总是在追求最前沿的理念,云原生作为最近这几年热门的技术点自然不会放过,但是在进入云原生之前,如果你的团队没有DevOps开发理念,这将是一个痛苦的过程,需要对架构设计和框架选择偿还技术债。

    3.1 实施DevOps理念

    以前做架构考虑高性能,随着对于架构的理解,发现高性能只是架构设计的一个小领域,要想做好一个架构,需要更多的敏捷流程和服务治理理念,具体考虑的点总结如下:

    • 持续集成:开发人员一天多次将代码集成到共享存储库中,并且对代码的每个孤立更改都将立即进行测试,以检测并防止集成问题
    • 连续交付:连续交付(CD)确保可以随时发布在CI存储库中测试的每个版本的代码
    • 连续部署:这里包括灰度部署,蓝绿发布等,目的是快速迭代,经过相对完整的集成测试,就可以灰度验证
    • 服务发现:将服务作为微服务化,简化服务之间的调用
    • RPC的框架:追求高性能的Server框架,也需要考虑限流,熔断等基础组件的支持
    • 监控系统:集成Promethues,OpenTracing等功能,能在敏捷开发流程中快速发现线上的问题
    • 容器化:为了环境统一,同时提前考虑云原生场景,容器化是开发过程中必不可少的
    • …

    Linux高性能网络编程十谈DevOps

    到这里会发现,简单的高性能Server已经作为架构追求的目标了,于是需要重新调研并设计架构,以顺利实施DevOps的理念。

    3.2 多线程

    基于DevOps,结合上面的C++的Server框架,发现多进程已经不能满足架构的需求,原因如下:

    • 多进程与Docker容器的单进程理念不相符
    • 工作进程负载不均,如何更利用多核
    • 与监控系统有效的对接
    • 业务配置重复加载,需要重新适配配置中心
    • 用多进程做有状态的服务不是很合理
    • …

    业务也发展到百万QPS,为了更好的服务治理和服务调用成本,不得不考虑另外的架构:

    (1)调研gRPC

    Linux高性能网络编程十谈gRPC

    gRPC是多线程RPC
    Server,有成熟的生态,各种中间件,支持多语言等,对于从0到1开发的业务是一个不错的选择,但是对于业务迁移却面临挑战,比如开发自己的中间件适配服务发现,配置中心等,改造协议按照自定义编解码,如何结合协程等,因此对于部分业务满足,但是还需要更好的结合公司内组件的RPC
    Server。

    (2)使用tRPC

    刚好公司内正在开发tRPC,经过调研发现基本满足需求,于是在tRPC的C++版本刚刚发展初期就尝试适配我们的系统,经过一系列的改造,高性能的RPC框架在业务系统中迁移和使用了,其中tRPC的架构:

    Linux高性能网络编程十谈

    https://trpc.group/zh/docs/what-is-trpc/archtecture_design/

    基于上述的考虑和业务的发展,于是开始尝试以高性能为基础,将RPC Server框架统一,以适配后续RPC多样化场景,于是实现一套适配我们的业务系统的RPC
    Server的基本框架:

    Linux高性能网络编程十谈新架构

    3.3、走向k8s

    经历了上述选型和改造后,我们的服务在迁移k8s过程中,按部就班对接就可以了,服务不需要经过太多的改造可以在其平台上运行,对接的各个平台也是可以完整的支持。

    看似去追求更新的技术等着下一个风口就可以了?实际这个时候反而挑战更多了,由于在云上的便捷和迁移服务架构的无序扩张,导致业务服务和逻辑层次越来越多,同时一个服务依赖的下游链路越来越长,虽然我们的框架支持链路跟踪,但是链路越长,对服务的可控性和稳定性就越来越差,反而浪费更多的人力支持日常ops。

    怎么办?…

    是不是要合并业务逻辑,将架构简化?这里面临的问题是业务逻辑复杂情况下往往周期很长,而且从成本角度考虑比较高,收益并不会很大

    是不是重新开发的新的架构,将腐朽的保持原样或者抛弃,使用新的架构来适配下一步的发展。

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