吞吐量定義

百科

吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量（以比特、字節(jié)、分組等測量）。

以上的定義比較寬泛，定義到網(wǎng)站或者接口的吞吐量是這樣的：吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理請求的數(shù)量。這里有一個注意點就是單位時間內(nèi)，對于網(wǎng)站的吞吐量這個單位時間一般定義為1秒，也就是說網(wǎng)站在一秒之內(nèi)能處理多少http（https/tcp）請求。與吞吐量對應(yīng)的衡量網(wǎng)站性能的還有響應(yīng)時間、并發(fā)數(shù)、QPS每秒查詢率。

響應(yīng)時間是一個系統(tǒng)最重要的指標之一，它的數(shù)值大小直接反應(yīng)了系統(tǒng)的快慢。響應(yīng)時間是指執(zhí)行一個請求從開始到最后收到響應(yīng)數(shù)據(jù)所花費的總體時間。

并發(fā)數(shù)是指系統(tǒng)同時能處理的請求數(shù)量，這個也是反應(yīng)了系統(tǒng)的負載能力。

每秒查詢率(QPS)是對一個特定的查詢服務(wù)器在規(guī)定時間內(nèi)所處理流量多少的衡量標準，在因特網(wǎng)上，作為域名系統(tǒng)服務(wù)器的機器的性能經(jīng)常用每秒查詢率來衡量。對應(yīng)fetches/sec，即每秒的響應(yīng)請求數(shù)，也即是最大吞吐能力。

我們以高速收費站為例子也許更直觀一些，吞吐量就是一天之內(nèi)通過的車輛數(shù)，響應(yīng)時間就是車速，并發(fā)數(shù)就是高速上同時奔跑的汽車數(shù)。由此可見其實以上幾個指標是有內(nèi)在聯(lián)系的。比如：響應(yīng)時間縮短，在一定程度上可以提高吞吐量。

其實以上幾個指標主要反映了兩個概念：

1. 系統(tǒng)在單位時間之內(nèi)能做多少事情
2. 系統(tǒng)做一件事情需要的時間

提高吞吐量

以下場景都是在假設(shè)程序不發(fā)生異常的情況下

服務(wù)器（進程）級別

服務(wù)器級別增加網(wǎng)站吞吐量也是諸多措施中最容易并且是效果最好的，如果一個網(wǎng)站能通過增加少量的服務(wù)器來提高吞吐量，菜菜覺得是應(yīng)該優(yōu)先采用的。畢竟一臺服務(wù)器的費用相比較一個程序員費用來說要低的多。但是有一個前提，就是你的服務(wù)器是系統(tǒng)的瓶頸，網(wǎng)站系統(tǒng)之后的其他系統(tǒng)并非瓶頸。如果你的系統(tǒng)的瓶頸在DB或者其他服務(wù)，盲目的增加服務(wù)器并不能解決你的問題。

通過增加服務(wù)器來解決你的網(wǎng)站瓶頸，意味著你的網(wǎng)站需要做負載均衡，如果沒有運維相關(guān)人員，你可能還得需要研究負載均衡的方案，比如LVS，Nginx，F(xiàn)5等。我曾經(jīng)面試過很多入道不久的同學(xué)，就提高吞吐量問題，如果沒有回答上用負載均衡方案的基本都pass了，不要說別的，這個方案就是一個基礎(chǔ)，就好比學(xué)習(xí)一個語言，你連最基本的語法都不會，我憑什么讓你通過。有噴的同學(xué)可以留言哦

其實現(xiàn)在很多靜態(tài)文件采用CDN，本質(zhì)上也可以認為是增加服務(wù)器的策略

線程級別

當(dāng)一個請求到達服務(wù)器并且正確的被服務(wù)器接收之后，最終執(zhí)行這個請求的載體是一個線程。當(dāng)一個線程被cpu載入執(zhí)行其指令的時候，在同步的狀態(tài)下，當(dāng)前線程會阻塞在那里等待cpu結(jié)果，如果cpu執(zhí)行的是比較慢的IO操作，線程會一直被阻塞閑置很長時間，這里的很長是對比cpu的速度而言，如果你想有一個直觀的速度對比，可以去查看菜菜以前的文章：
高并發(fā)下為什么更喜歡進程內(nèi)緩存
當(dāng)一個新的請求到來的時候，如果沒有新的線程去領(lǐng)取這個任務(wù)并執(zhí)行，要么會發(fā)生異常，要么創(chuàng)建新的線程。線程是一種很稀缺的資源，不可能無限制的創(chuàng)建。這種情況下我們就要把線程這種資源充分利用起來，不要讓線程停下來。這也是程序推薦采用異步的原因，試想，一個線程不停的在工作，遇到比較慢的IO不會去等待結(jié)果，而是接著處理下一個請求，當(dāng)IO的結(jié)果返回來得到通知的時候，線程再去取IO結(jié)果，豈不是能在相同時間內(nèi)處理更多的請求。

程序異步化（非阻塞）會明顯提高系統(tǒng)的吞吐量，但是響應(yīng)時間可能會稍微變大

還有一點，盡量減少線程上線文在cpu的切換，因為線程上線文切換的成本也是比較大的，在線程切換的時候，cpu需要把當(dāng)前線程的上下文信息記錄下來用以下次調(diào)用的時候使用，然后把新線程的上下文信息載入然后執(zhí)行。這個過程相對于cpu的執(zhí)行速度而言，要慢很多。

不要拿Golang反駁以上觀點，golang的協(xié)程雖然是用戶級別比線程更小的載體，但是最終和Cpu進行交互的還是線程。

Cpu級別

在講cpu級別之前，如果有一定的網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)，也許會好一些。這里大體闡述一下，現(xiàn)代操作系統(tǒng)都采用虛擬尋址的方式，它的尋址空間（虛擬存儲空間）為4G（2的32次方）。操作系統(tǒng)將虛擬空間分為兩類：內(nèi)核空間和用戶空間。內(nèi)核空間獨立于用戶空間，有訪問受保護的內(nèi)存空間、IO設(shè)備的權(quán)限（所有的用戶空間共享）。用戶空間就是我們的應(yīng)用程序運行的空間，其實用戶空間并沒有操作各種IO設(shè)備的權(quán)限，像我們平時讀取一個文件，本質(zhì)上是委托內(nèi)核空間去執(zhí)行讀取指令的，內(nèi)核空間讀取到數(shù)據(jù)之后再把數(shù)據(jù)復(fù)制到程序運行的空間，最后應(yīng)用程序再把數(shù)據(jù)返回調(diào)用方。

image

通過上圖大體可以看出，內(nèi)核會為每個I/O設(shè)備維護一個buffer（同一個文件描述符讀和寫的buffer不同），應(yīng)用程序發(fā)出一個IO操作的指令其實通過了內(nèi)核空間和用戶空間兩個部分，并且發(fā)生了數(shù)據(jù)的復(fù)制操作。這個過程其實主要包含兩個步驟：

1. 用戶進程發(fā)出操作指令并等待數(shù)據(jù)
2. 內(nèi)核把數(shù)據(jù)返回給用戶進程（buffer的復(fù)制操作）

根據(jù)這兩個操作的不同表現(xiàn)，所以IO模型有了同步阻塞，同步非阻塞，異步阻塞，異步非阻塞的概念，但是這里并非此文的重點，所以不在展開詳細介紹。

利用cpu提高系統(tǒng)吞吐量主要目標是提高單位時間內(nèi)cpu運行的指令數(shù)，避免cpu做一些無用功：

• cpu負責(zé)把buffer的數(shù)據(jù)copy到應(yīng)用程序空間，應(yīng)用程序再把數(shù)據(jù)返回給調(diào)用方，假如這個過程發(fā)生的是一次Socket操作，應(yīng)用程序在得到IO返回數(shù)據(jù)之后，還需要網(wǎng)卡把數(shù)據(jù)返回給client端，這個過程又需要把剛剛得到的buffer數(shù)據(jù)再次通過內(nèi)核發(fā)送至網(wǎng)卡，通過網(wǎng)絡(luò)傳送出去。由此可見cpu把buffer數(shù)據(jù)copy到應(yīng)用程序空間這個過程完全沒有必要，在內(nèi)核空間完全可以把buffer數(shù)據(jù)直接傳輸至網(wǎng)卡，這也是零拷貝技術(shù)要解決的問題。具體的零拷貝技術(shù)在這里不再展開。

不要讓任何設(shè)備停下來，不要讓任何設(shè)備做無用功

通過增加cpu的個數(shù)來增加吞吐量

網(wǎng)絡(luò)傳輸級別

至于網(wǎng)絡(luò)傳輸級別，由于協(xié)議大部分是Tcp/ip，所以在協(xié)議傳輸方面優(yōu)化的手段比較少，但是應(yīng)用程序級別協(xié)議可以選擇壓縮率更好的，比如采用grpc會比單純的http協(xié)議要好很多，http2 要比http 1.1要好很多。另外一方面網(wǎng)卡盡量加大傳輸速率，比如千兆網(wǎng)卡要比百兆網(wǎng)卡速度更快。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸比較偏底層，所以人工干預(yù)的切入點會少很多。

最后總結(jié)

大部分程序員都是工作在應(yīng)用層，針對應(yīng)用級別代碼能提高吞吐量的建議：

1. 加大應(yīng)用的進程數(shù)，增加并發(fā)數(shù)，特別在進程數(shù)是瓶頸的情況下
2. 優(yōu)化線程調(diào)用，盡量池化。
3. 應(yīng)用的代碼異步化，特別是異步非阻塞式編程對于提高吞吐量效果特別明顯
4. 充分利用多核cpu優(yōu)勢，實現(xiàn)并行編程。
5. 減少每個調(diào)用的響應(yīng)時間，縮短調(diào)用鏈。例如通過加索引的方式來減少訪問一次數(shù)據(jù)庫的時間

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