一、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(guò)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)常用的一些指標(biāo)有響應(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)等。
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。
吞吐量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)處理的請(qǐng)求數(shù)量。
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(méi)有這么明顯。 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)。
二、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）與水平擴(kuò)展（Scale Out）。
垂直擴(kuò)展：提升單機(jī)處理能力。垂直擴(kuò)展的方式又有兩種：
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(wàn)兆，升級(jí)更好的硬盤(pán)如SSD，擴(kuò)充硬盤(pán)容量如2T，擴(kuò)充系統(tǒng)內(nèi)存如128G；
提升單機(jī)架構(gòu)性能，例如：使用Cache來(lái)減少I(mǎi)O次數(shù)，使用異步來(lái)增加單服務(wù)吞吐量，使用無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)減少響應(yīng)時(shí)間。
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(wèn)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。
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。所以互聯(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。
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。水平擴(kuò)展對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是有要求的，如何在架構(gòu)各層進(jìn)行可水平擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，以及互聯(lián)網(wǎng)公司架構(gòu)各層常見(jiàn)的水平擴(kuò)展實(shí)踐，是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。
三、常見(jiàn)的互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)
常見(jiàn)互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)如上，分為：
客戶端層：典型調(diào)用方是瀏覽器browser或者手機(jī)應(yīng)用APP
反向代理層：系統(tǒng)入口，反向代理
站點(diǎn)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)核心應(yīng)用邏輯，返回html或者json
服務(wù)層：如果實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化，就有這一層
數(shù)據(jù)-緩存層：緩存加速訪問(wèn)存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)庫(kù)層：數(shù)據(jù)庫(kù)固化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
整個(gè)系統(tǒng)各層次的水平擴(kuò)展，又分別是如何實(shí)施的呢？
四、分層水平擴(kuò)展架構(gòu)實(shí)踐
反向代理層的水平擴(kuò)展
反向代理層的水平擴(kuò)展，是通過(guò)“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(lái)訪問(wèn)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(wú)限高并發(fā)。
站點(diǎn)層的水平擴(kuò)展
站點(diǎn)層的水平擴(kuò)展，是通過(guò)“nginx”實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)修改nginx.conf，可以設(shè)置多個(gè)web后端。
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(wú)限高并發(fā)。
服務(wù)層的水平擴(kuò)展
站點(diǎn)層通過(guò)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(wú)限高并發(fā)。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)層的水平擴(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(kù)）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(kù)）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(jiàn)的水平拆分方式有這么幾種，以數(shù)據(jù)庫(kù)為例：
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(kù)，存儲(chǔ)uid范圍1-1kw
user1庫(kù)，存儲(chǔ)uid范圍1kw-2kw
這個(gè)方案的好處是：
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)；
數(shù)據(jù)均衡性較好；
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：
請(qǐng)求的負(fù)載不一定均衡，一般來(lái)說(shuō)，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。
按照哈希水平拆分
每一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)某個(gè)key值hash后的部分?jǐn)?shù)據(jù)，上圖為例：
user0庫(kù)，存儲(chǔ)偶數(shù)uid數(shù)據(jù)
user1庫(kù)，存儲(chǔ)奇數(shù)uid數(shù)據(jù)
這個(gè)方案的好處是：
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)；
數(shù)據(jù)均衡性較好；
請(qǐng)求均勻性較好。
不足是：
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。
這里需要注意的是，通過(guò)水平拆分來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)性能，與主從同步讀寫(xiě)分離來(lái)擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)性能的方式有本質(zhì)的不同。
通過(guò)水平拆分?jǐn)U展數(shù)據(jù)庫(kù)性能：
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；
n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)沒(méi)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；
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(xiě)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?lái)的1/n）。
通過(guò)主從同步讀寫(xiě)分離擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)性能：
每個(gè)服務(wù)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量是和總量相同；
n個(gè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)都一樣，都是全集；
理論上讀性能擴(kuò)充了n倍，寫(xiě)仍然是單點(diǎn)，寫(xiě)性能不變。
緩存層的水平拆分和數(shù)據(jù)庫(kù)層的水平拆分類(lèi)似，也是以范圍拆分和哈希拆分的方式居多，就不再展開(kāi)。
五、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(guò)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)能力的方式，方法論上主要有兩種：垂直擴(kuò)展（Scale Up）與水平擴(kuò)展（Scale Out）。前者垂直擴(kuò)展可以通過(guò)提升單機(jī)硬件性能，或者提升單機(jī)架構(gòu)性能，來(lái)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：
反向代理層可以通過(guò)“DNS輪詢”的方式來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展；
站點(diǎn)層可以通過(guò)nginx來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展；
服務(wù)層可以通過(guò)服務(wù)連接池來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展；
數(shù)據(jù)庫(kù)可以按照數(shù)據(jù)范圍，或者數(shù)據(jù)哈希的方式來(lái)進(jìn)行水平擴(kuò)展。
各層實(shí)施水平擴(kuò)展后，能夠通過(guò)增加服務(wù)器數(shù)量的方式來(lái)提升系統(tǒng)的性能，做到理論上的性能無(wú)限。
