C++ 全栈知识体系

第4章：瞬时响应：网站的高性能架构

网站性能测试

性能测试指标：

  1. 响应时间；
  2. 并发数；
  3. 吞吐量；
  4. 性能计数器；

性能测试方法：

  1. 性能测试；
  2. 负载测试；
  3. 压力测试；
  4. 稳定性测试；

性能优化策略：

  1. 性能分析：检查请求处理各个环节的日志，分析哪个环节响应时间不合理，检查监控数据分析影响性能的因素；

  2. 性能优化：Web前端优化，应用服务器优化，存储服务器优化；

Web前端性能优化

浏览器访问优化

  1. 减少http请求：因为http是无状态的，每次请求的开销都比较昂贵（需要建立通信链路、进行数据传输，而服务器端对于每个http请求都需要启动独立的线程去处理）；减少http的主要手段是合并CSS、合并JS、合并图片（CSS精灵，利用偏移定位image）；

  2. 使用浏览器缓存：设置http头中Cache-Control和Expires属性；

  3. 启用压缩：可以对html、css、js文件启用Gzip压缩，可以达到较高的压缩效率，但是压缩会对服务器及浏览器产生一定的压力；

  4. CSS放页面最上面，JS放页面最下面：浏览器会在下载完全部CSS之后才开始对整个页面进行渲染，因此最好将CSS放在页面最上面；而浏览器在加载JS后会立即执行，有可能会阻塞整个页面，造成页面显示缓慢，因此最好将JS放在页面最下面；

  5. 减少Cookie传输：一方面，太大的Cookie会严重影响数据传输；另一方面，对于某些静态资源的访问（如CSS、JS等）发送Cookie没有意义；

CDN加速

CDN（内容分发网络）仍然是一个缓存，它将数据缓存在离用户最近的地方，便于用户以最快速度获取数据。

CDN只将访问频度很高的热点内容（例如：图片、视频、CSS、JS脚本等访问频度很高的内容）进行缓存，可以极大地加快用户访问速度，减少数据中心负载。

反向代理：

反向代理服务器位于网站机房，代理网站Web服务器接收Http请求，对请求进行转发，如下图所示：

反向代理服务器具有以下功能：

  1. 保护网站安全：任何来自Internet的请求都必须先经过代理服务器；

  2. 通过配置缓存功能加速Web请求：减轻真实Web服务器的负载压力；

  3. 实现负载均衡：均衡地分发请求，平衡集群中各个服务器的负载压力；

应用服务器性能优化

分布式缓存

网站性能优化第一定律**：优先考虑使用缓存优化性能**。

缓存的基本原理

缓存是指将数据存储在相对较高访问速度的存储介质中（如内存），以供系统进行快速处理响应用户请求。

缓存本质是一个内存Hash表，数据以(Key,Value)形式存储在内存中。

缓存主要用来存放那些读写比很高、很少变化的数据，如商品的类目信息、热门商品信息等。这样，应用程序读取数据时，先到缓存中取，如缓存中没有或失效，再到数据库中取出，重新写入缓存以供下一次访问。因此，可以很好地改善系统性能，提高数据读取速度，降低存储访问压力。

网站数据访问通常遵循二八定律，即80%的访问落在20%的数据上，因此利用Hash表和内存的高速访问特性，将这20%的数据缓存起来，可很好地改善系统性能，提高数据读取速度，降低存储访问压力。

合理使用缓存

  1. 频繁修改的数据
  2. 没有热点的访问
  3. 数据不一致与脏读
  4. 缓存可用性
  5. 缓存预存
  6. 缓存穿透

分布式缓存架构

分布式缓存指缓存部署在多个服务器组成的集群中，以集群方式提供缓存服务：

  • 以 JBoss Cache 为代表的需要更新同步的分布式缓存
  • 以 Memcached 为代表的不互相通信的分布式缓存

JBoss Cache

JBoss Cache需要将缓存信息同步到集群中的所有机器，代价比较大；而Memcached采用一种集中式的缓存集群管理，缓存与应用分离部署，应用程序通过一致性Hash算法选择缓存服务器远程访问缓存数据，缓存服务器之间互不通信，因而集群规模可以轻易地扩容，具有良好的伸缩性。

Memcached

Memcached由两个核心组件组成：服务端（ms）和客户端（mc），在一个memcached的查询中，mc先通过计算key的hash值来确定kv对所处在的ms位置。当ms确定后，客户端就会发送一个查询请求给对应的ms，让它来查找确切的数据。因为这之间没有交互以及多播协议，所以 memcached交互带给网络的影响是最小化的。

特点：

  • 不支持持久化，没有安全机制。
  • 可以用telnet等工具直接连接memcached。
  • memcached是多线程工作，而redis是单线程工作。
  • 各个memcached服务器之间互不通信，各自独立存取数据，不共享任何信息。
  • 服务器并不具有分布式功能，分布式部署取决于memcache客户端。

  • 简单的通信协议
    • 通信协议选择：TCP, UDP, HTTP
    • 通信序列化协议：XML, JSON等文本序列化协议；Google ProtoBuffer等二进制协议
  • 丰富的客户端程序
  • 高性能的网络通信
    • 基于 Libevent —— 支持事件触发的网络通信程序库
  • 高效的内存管理
    • 内存管理 —— 解决内存碎片问题
    • Memcached 将内存空间分配为一组slab, 每个slab里又包含一组chunk, 同一个slab里的每个chunk大小是固定的，拥有相同大小chunk的slab被组织在一起，叫作slab_class。
  • 互不通信的服务器集群架构

异步操作

使用消息队列将调用异步化，可改善网站的扩展性，还可改善网站性能；

消息队列具有削峰的作用->将短时间高并发产生的事务消息存储在消息队列中，从而削平高峰期的并发事务。

PS：任何可以晚点做的事情都应该晚点再做。前提是：这个事儿确实可以晚点再做。

需要注意的是，由于数据写入消息队列后立即返回给用户，数据在后续的业务校验、写数据库等操作过程中可能失败，因此在使用消息队列进行业务异步处理后，需要适当修改业务流程进行配合，例如订单提交后，订单数据写入消息队列，不能立即返回用户订单提交成功，需要在消息队列的订单消费者进程真正处理完该订单，甚至商品出库后，在通过电子邮箱或SMS消息通知用户订单成功，以免交易纠纷。———— 12306订票，当当网购书都在完成后邮件通知。

使用集群

  1. 在高并发场景下，使用负载均衡技术为一个应用构建多台服务器组成的服务器集群；
  2. 可以避免单一服务器因负载压力过大而响应缓慢，使用户请求具有更好的响应延迟特性；
  3. 负载均衡可以采用硬件设备，也可以采用软件负载。

代码优化：

  1. 多线程：使用多线程的原因：一是IO阻塞，二是多CPU，都是为了最大限度地利用CPU资源，提高系统吞吐能力，改善系统性能；
    • 需要注意线程安全
      • 将对象设计为无状态对象
      • 使用局部对象
      • 并发访问资源时使用锁
  2. 资源复用：目的是减少开销很大的系统资源的创建和销毁，主要采用两种模式实现**：单例（Singleton）和对象池（Object Pool）**。例如，经常使用到的线程池，数据库连接池等，本质上都是对象池。
  3. 数据结构：在不同场合合理使用恰当的数据结构，可以极大优化程序的性能。
  4. 垃圾回收：理解垃圾回收机制有助于程序优化和参数调优，以及编写内存安安全的代码。这里主要针对Java（JVM）和C#（CLR）一类的具有GC（垃圾回收机制）的语言。

存储性能优化

机械硬盘 还是 固态硬盘？

  1. 机械硬盘：通过马达驱动磁头臂，带动磁头到指定的磁盘位置访问数据。它能够实现快速顺序读写，慢速随机读写。
  2. 固态硬盘（又称SSD）：无机械装置，数据存储在可持久记忆的硅晶体上，因此可以像内存一样快速随机访问。

在目前的网站应用中，大部分应用访问数据都是随机的，这种情况下SSD具有更好的性能表现，但是性价比有待提升。

B+树 vs LSM树

  1. 传统关系型数据库广泛采用B+树，B+树是对数据排好序后再存储，加快数据检索速度。

PS：目前大多数DB多采用两级索引的B+树，树的层次最多三层。因此可能需要5次磁盘访问才能更新一条记录（三次磁盘访问获得数据索引及行ID，一次数据文件读操作，一次数据文件写操作，终于知道数据库操作有多麻烦多耗时了）

  1. NoSQL产品广泛采用LSM树

具体思想是：将对数据的修改增量保持在内存中，达到指定的大小限制后将这些修改操作批量写入磁盘。不过读取的时候稍微麻烦，需要合并磁盘中历史数据和内存中最近的修改操作，所以写入性能大大提升，读取时可能需要先看是否命中内存，否则需要访问较多的磁盘文件。

LSM树的原理是：把一棵大树拆分成N棵小树，它首先写入内存中，随着小树越来越大，内存中的小树会被清除并写入到磁盘中，磁盘中的树定期可以做合并操作，合并成一棵大树，以优化读性能。

LSM树的优势在于：在LSM树上进行一次数据更新不需要磁盘访问，在内存即可完成，速度远快于B+树。

文章来源

  • 作者：李智慧
  • 来源：《大型网站技术架构》

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