高并发中的要点和系统扩展思路

失踪人口回归，鸽了半年了~没办法，写需求实在是难获新知，那今天就跟大家唠唠高并发吧~~

一.高并发的概念

高并发（High Concurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。

二.高并发相关的常见指标有哪些

1. 响应时间（Response Time）

系统对请求做出响应的时间。

例如：系统处理一个HTTP请求需要200ms，这个200ms就是系统的响应时间。

2. 吞吐量（Throughput）

单位时间内处理的请求数量。

3. 每秒查询率QPS（Query Per Second）

每秒响应请求数。在互联网领域，这个指标和吞吐量区分的没有这么明显。

4. 并发用户数

同时承载正常使用系统功能的用户数量。

例如：一个即时通讯系统，同时在线量一定程度上代表了系统的并发用户数。

三.如何提升系统的并发能力？

互联网分布式架构设计，提高系统并发能力的方式，方法论上主要有两种：

1.垂直扩展（Scale Up）

垂直扩展是指，提升单机处理能力，垂直扩展的方式又有两种：

（1）增强单机硬件性能，例如：增加CPU核数如32核，升级更好的网卡如万兆，升级更好的硬盘如SSD，扩充硬盘容量如2T，扩充系统内存如128G；

（2）提升单机架构性能，例如：使用Cache来减少IO次数，使用异步来增加单服务吞吐量，使用无锁数据结构来减少响应时间；

(PS：在互联网业务发展非常迅猛的早期，如果预算不是问题，强烈建议使用“增强单机硬件性能”的方式提升系统并发能力，因为这个阶段，公司的战略往往是发展业务抢时间，而“增强单机硬件性能”往往是最快的方法。)

瓶颈：不管是提升单机硬件性能，还是提升单机架构性能，都有一个致命的不足：单机性能总是有极限的。

2.水平扩展（Scale Out）

互联网分布式架构设计，高并发终极解决方案还是水平扩展。水平扩展是指，只要增加服务器数量，就能线性扩充系统性能。

常见互联网分布式架构，分为：

（1）客户端层：典型调用方是浏览器browser或者手机应用APP；

（2）反向代理层：系统入口，反向代理；|例如：F5，Nginx，LVS

（3）站点应用层：实现核心应用逻辑，返回html或者json；

（4）服务层：如果实现了服务化，就有这一层；|例如：RPC-Client调用RPC-Serve

（5）数据-缓存层：缓存加速访问存储；|例如:redis

（6）数据-数据库层：数据库固化数据存储；|例如:分库分表

要想真个系统支持水平扩展，就必须每一层都支持水平扩展。

（1）反向代理层的水平扩展

       反向代理层的水平扩展，是通过“DNS轮询”实现的：dns-server对于一个域名配置了多个解析ip，每次DNS解析请求来访问dns-server，会轮询返回这些ip。--DNS轮询实现原理待补充当nginx成为瓶颈的时候，只要增加服务器数量，新增nginx服务的部署，增加一个外网ip，就能扩展反向代理层的性能，做到理论上的无限高并发。

（2）站点应用层的水平扩展

       站点层的水平扩展，是通过“nginx”实现的，通过修改nginx.conf，可以设置多个web后端。当web后端成为瓶颈的时候，只要增加服务器数量，新增web服务的部署，在nginx配置中配置上新的web后端，就能扩展站点层的性能，做到理论上的无限高并发。

（3）服务层的水平扩展

       服务层的水平扩展，是通过“服务连接池”实现的。站点层通过RPC-client调用下游的服务层RPC-server时，RPC-client中的连接池会建立与下游服务多个连接，当服务成为瓶颈的时候，只要增加服务器数量，新增服务部署，在RPC-client处建立新的下游服务连接，就能扩展服务层性能，做到理论上的无限高并发。

（4）数据-数据库层的水平扩展

       在数据量很大的情况下，数据层（缓存，数据库）涉及数据的水平扩展，将原本存储在一台服务器上的数据（缓存，数据库）水平拆分到不同服务器上去，以达到扩充系统性能的目的。

互联网数据层常见的水平拆分方式有这么几种，以数据库为例：

1.按照范围水平拆分

每一个数据服务，存储一定范围的数据：

user0库，存储uid范围[1-1kw]

user1库，存储uid范围[1kw-2kw]

优点：

（1）规则简单，service只需判断一下uid范围就能路由到对应的存储服务；

（2）数据均衡性较好；

（3）比较容易扩展，可以随时加一个uid[2kw,3kw]的数据服务；

缺点：

请求的负载不一定均衡，一般来说，新注册的用户会比老用户更活跃，大range的服务请求压力会更大。

2.按照哈希水平拆分

每一个数据库，存储某个key值hash后的部分数据：

优点：

（1）规则简单，service只需对uid进行hash能路由到对应的存储服务；

（2）数据均衡性较好；

（3）请求均匀性较好；

缺点：

不容易扩展，扩展一个数据服务，hash方法改变时候，可能需要进行数据迁移。

四.通过水平拆分来扩充系统性能，与主从同步读写分离来扩充数据库性能，有什么本质的不同？

通过水平拆分扩展数据库性能：

（1）每个服务器上存储的数据量是总量的1/n，所以单机的性能也会有提升；

（2）n个服务器上的数据没有交集，那个服务器上数据的并集是数据的全集；

（3）数据水平拆分到了n个服务器上，理论上读性能扩充了n倍，写性能也扩充了n倍（其实远不止n倍，因为单机的数据量变为了原来的1/n）；

通过主从同步读写分离扩展数据库性能：

（1）每个服务器上存储的数据量是和总量相同；

（2）n个服务器上的数据都一样，都是全集；

（3）理论上读性能扩充了n倍，写仍然是单点，写性能不变；

缓存层的水平拆分和数据库层的水平拆分类似，也是以范围拆分和哈希拆分的方式居多，就不再展开。

做个总结：

1.高并发（High Concurrency）是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一，它通常是指，通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。

2.提高系统并发能力的方法主要有两种：

    垂直扩展（Scale Up）

    水平扩展（Scale Out）

       前者垂直扩展可以通过提升单机硬件性能，或者提升单机架构性能，来提高并发性，但单机性能总是有极限的，互联网分布式架构设计高并发终极解决方案还是后者：水平扩展。

3.互联网分层架构中，各层次水平扩展的实践又有所不同：各层实施水平扩展后，能够通过增加服务器数量的方式来提升系统的性能，做到理论上的性能无限。