什么是高并發(fā)？
高并發(fā)（High Concurrency）是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。
高并發(fā)相關(guān)的常見指標(biāo)有哪些？
- 響應(yīng)時(shí)間（Response Time）
- 吞吐量（Throughput）
- 每秒查詢率QPS（Query Per Second）
- 并發(fā)用戶數(shù)
什么是響應(yīng)時(shí)間？
系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)的時(shí)間。
例如：系統(tǒng)處理一個(gè)HTTP請(qǐng)求需要200ms，這個(gè)200ms就是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。
什么是吞吐量？
單位時(shí)間內(nèi)處理的請(qǐng)求數(shù)量。
什么是QPS？
每秒響應(yīng)請(qǐng)求數(shù)。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，這個(gè)指標(biāo)和吞吐量區(qū)分的沒有這么明顯。
什么是并發(fā)用戶數(shù)？
同時(shí)承載正常使用系統(tǒng)功能的用戶數(shù)量。
例如：一個(gè)即時(shí)通訊系統(tǒng)，同時(shí)在線量一定程度上代表了系統(tǒng)的并發(fā)用戶數(shù)。
如何提升系統(tǒng)的并發(fā)能力？
互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)并發(fā)能力的方式，方法論上主要有兩種：
- 垂直擴(kuò)展（Scale Up）
- 水平擴(kuò)展（Scale Out）
什么是垂直擴(kuò)展？
垂直擴(kuò)展是指，提升單機(jī)處理能力，垂直擴(kuò)展的方式又有兩種：
（1）增強(qiáng)單機(jī)硬件性能，例如：增加CPU核數(shù)如32核，升級(jí)更好的網(wǎng)卡如萬兆，升級(jí)更好的硬盤如SSD，擴(kuò)充硬盤容量如2T，擴(kuò)充系統(tǒng)內(nèi)存如128G；
（2）提升單機(jī)架構(gòu)性能，例如：使用Cache來減少IO次數(shù)，使用異步來增加單服務(wù)吞吐量，使用無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來減少響應(yīng)時(shí)間；
畫外音：在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展非常迅猛的早期，如果預(yù)算不是問題，強(qiáng)烈建議使用“增強(qiáng)單機(jī)硬件性能”的方式提升系統(tǒng)并發(fā)能力，因?yàn)檫@個(gè)階段，公司的戰(zhàn)略往往是發(fā)展業(yè)務(wù)搶時(shí)間，而“增強(qiáng)單機(jī)硬件性能”往往是最快的方法。
垂直擴(kuò)展有什么瓶頸？
不管是提升單機(jī)硬件性能，還是提升單機(jī)架構(gòu)性能，都有一個(gè)致命的不足：?jiǎn)螜C(jī)性能總是有極限的。
如何突破單機(jī)的極限？
互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，高并發(fā)終極解決方案還是水平擴(kuò)展。
什么是水平擴(kuò)展？
只要增加服務(wù)器數(shù)量，就能線性擴(kuò)充系統(tǒng)性能。
常見的互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)如何？
各層該如何落地水平擴(kuò)展？
常見互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)如上，分為：
（1）客戶端層：典型調(diào)用方是瀏覽器browser或者手機(jī)應(yīng)用App；
（2）反向代理層：系統(tǒng)入口，反向代理；
（3）站點(diǎn)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)核心應(yīng)用邏輯，返回html或者json；
（4）服務(wù)層：如果實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化，就有這一層；
（5）數(shù)據(jù)-緩存層：緩存加速訪問存儲(chǔ)；
（6）數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)庫層：數(shù)據(jù)庫固化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；
要想真?zhèn)€系統(tǒng)支持水平擴(kuò)展，就必須每一層都支持水平擴(kuò)展。
反向代理層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展？
反向代理層的水平擴(kuò)展，是通過“DNS輪詢”實(shí)現(xiàn)的：dns-server對(duì)于一個(gè)域名配置了多個(gè)解析ip，每次DNS解析請(qǐng)求來訪問dns-server，會(huì)輪詢返回這些ip。
當(dāng)Nginx成為瓶頸的時(shí)候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增nginx服務(wù)的部署，增加一個(gè)外網(wǎng)ip，就能擴(kuò)展反向代理層的性能，做到理論上的無限高并發(fā)。
站點(diǎn)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展？
站點(diǎn)層的水平擴(kuò)展，是通過“nginx”實(shí)現(xiàn)的，通過修改nginx.conf，可以設(shè)置多個(gè)web后端。
畫外音：nginx是個(gè)例子，有可能是LVS或者F5等反向代理。
當(dāng)web后端成為瓶頸的時(shí)候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增web服務(wù)的部署，在nginx配置中配置上新的web后端，就能擴(kuò)展站點(diǎn)層的性能，做到理論上的無限高并發(fā)。
服務(wù)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展？
服務(wù)層的水平擴(kuò)展，是通過“服務(wù)連接池”實(shí)現(xiàn)的。
站點(diǎn)層通過RPC-client調(diào)用下游的服務(wù)層RPC-server時(shí)，RPC-client中的連接池會(huì)建立與下游服務(wù)多個(gè)連接，當(dāng)服務(wù)成為瓶頸的時(shí)候，只要增加服務(wù)器數(shù)量，新增服務(wù)部署，在RPC-client處建立新的下游服務(wù)連接，就能擴(kuò)展服務(wù)層性能，做到理論上的無限高并發(fā)。
畫外音：如果需要優(yōu)雅的進(jìn)行服務(wù)層自動(dòng)擴(kuò)容，這里可能需要配置中心里服務(wù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)功能的支持。
數(shù)據(jù)層如何進(jìn)行水平擴(kuò)展？
在數(shù)據(jù)量很大的情況下，數(shù)據(jù)層（緩存，數(shù)據(jù)庫）涉及數(shù)據(jù)的水平擴(kuò)展，將原本存儲(chǔ)在一臺(tái)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)（緩存，數(shù)據(jù)庫）水平拆分到不同服務(wù)器上去，以達(dá)到擴(kuò)充系統(tǒng)性能的目的。
互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)層常見的水平拆分方式有這么幾種，以數(shù)據(jù)庫為例：
一、按照范圍水平拆分
每一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)，存儲(chǔ)一定范圍的數(shù)據(jù)，上圖為例：
- user0庫，存儲(chǔ)uid范圍1-1kw
- user1庫，存儲(chǔ)uid范圍1kw-2kw
這個(gè)方案的好處是：
（1）規(guī)則簡(jiǎn)單，service只需判斷一下uid范圍就能路由到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)；
（2）數(shù)據(jù)均衡性較好；
（3）比較容易擴(kuò)展，可以隨時(shí)加一個(gè)uid[2kw,3kw]的數(shù)據(jù)服務(wù)；
不足是：
（1）請(qǐng)求的負(fù)載不一定均衡，一般來說，新注冊(cè)的用戶會(huì)比老用戶更活躍，大range的服務(wù)請(qǐng)求壓力會(huì)更大；
二、按照哈希水平拆分
每一個(gè)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)某個(gè)key值hash后的部分?jǐn)?shù)據(jù)，上圖為例：
- user0庫，存儲(chǔ)偶數(shù)uid數(shù)據(jù)
- user1庫，存儲(chǔ)奇數(shù)uid數(shù)據(jù)
這個(gè)方案的好處是：
（1）規(guī)則簡(jiǎn)單，service只需對(duì)uid進(jìn)行hash能路由到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)；
（2）數(shù)據(jù)均衡性較好；
（3）請(qǐng)求均勻性較好；
不足是：
（1）不容易擴(kuò)展，擴(kuò)展一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)，hash方法改變時(shí)候，可能需要進(jìn)行數(shù)據(jù)遷移；
通過水平拆分來擴(kuò)充系統(tǒng)性能，與主從同步讀寫分離來擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫性能，有什么本質(zhì)的不同？
畫外音：這兩個(gè)方案千萬別搞混。
通過水平拆分?jǐn)U展數(shù)據(jù)庫性能：
（1）每個(gè)服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是總量的1/n，所以單機(jī)的性能也會(huì)有提升；
（2）n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)沒有交集，那個(gè)服務(wù)器上數(shù)據(jù)的并集是數(shù)據(jù)的全集；
（3）數(shù)據(jù)水平拆分到了n個(gè)服務(wù)器上，理論上讀性能擴(kuò)充了n倍，寫性能也擴(kuò)充了n倍（其實(shí)遠(yuǎn)不止n倍，因?yàn)閱螜C(jī)的數(shù)據(jù)量變?yōu)榱嗽瓉淼?/n）；
通過主從同步讀寫分離擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫性能：
（1）每個(gè)服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是和總量相同；
（2）n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)都一樣，都是全集；
（3）理論上讀性能擴(kuò)充了n倍，寫仍然是單點(diǎn)，寫性能不變；
緩存層的水平拆分和數(shù)據(jù)庫層的水平拆分類似，也是以范圍拆分和哈希拆分的方式居多，就不再展開。
總結(jié)
高并發(fā)（High Concurrency）是互聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能夠同時(shí)并行處理很多請(qǐng)求。
提高系統(tǒng)并發(fā)能力的方法主要有兩種：
- 垂直擴(kuò)展（Scale Up）
- 水平擴(kuò)展（Scale Out）
前者垂直擴(kuò)展可以通過提升單機(jī)硬件性能，或者提升單機(jī)架構(gòu)性能，來提高并發(fā)性，但單機(jī)性能總是有極限的，互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)高并發(fā)終極解決方案還是后者：水平擴(kuò)展。
互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)中，各層次水平擴(kuò)展的實(shí)踐又有所不同：
（1）反向代理層可以通過“DNS輪詢”的方式來進(jìn)行水平擴(kuò)展；
（2）站點(diǎn)層可以通過nginx來進(jìn)行水平擴(kuò)展；
（3）服務(wù)層可以通過服務(wù)連接池來進(jìn)行水平擴(kuò)展；
（4）數(shù)據(jù)庫可以按照數(shù)據(jù)范圍，或者數(shù)據(jù)哈希的方式來進(jìn)行水平擴(kuò)展；
各層實(shí)施水平擴(kuò)展后，能夠通過增加服務(wù)器數(shù)量的方式來提升系統(tǒng)的性能，做到理論上的性能無限。
思路比結(jié)論重要。
