我不是针对Java，但抓住高并发的核心后，PHP完胜了 - 运维

再谈并发

 

1、网络编程模型的演变历史  

 

 

 

并发问题一直是服务端编程中的重点和难点问题，为了优系统的并发量，从最初的Fork进程开始，到进程池/线程池，再到epoll事件驱动（Nginx、node.js反人类回调），再到协程。

 

从上中可以很明显的看出，整个演变的过程，就是对CPU有效性能压榨的过程。

 

什么?不明显?

 

2、那我们再谈谈上下文切换  

 

 

在谈论上下文切换之前，我们再明确两个名词的概念。

 

• 并行：两个事件同一时刻完成。

• 并发：两个事件在同一时间段内交替发生,从宏观上看，两个事件都发生了。

 

 

线程是操作系统调度的最小单位，进程是资源分配的最小单位。由于CPU是串行的,因此对于单核CPU来说,同一时刻一定是只有一个线程在占用CPU资源的。因此，Linux作为一个多任务(进程)系统，会频繁的发生进程/线程切换。

 

在每个任务运行前，CPU都需要知道从哪里加载，从哪里运行，这些信息保存在CPU寄存器和操作系统的程序计数器里面，这两样东西就叫做 CPU上下文。

 

进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态，因此 虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，以及内核堆栈、寄存器等内核空间的状态,就叫做 进程上下文。

 

前面说过,线程是操作系统调度的最小单位。同时线程会共享父进程的虚拟内存和全局变量等资源，因此 父进程的资源加上线上自己的私有数据就叫做线程的上下文。

 

对于线程的上下文切换来说，如果是同一进程的线程，因为有资源共享，所以会比多进程间的切换消耗更少的资源。

 

现在就更容易解释了，进程和线程的切换，会产生CPU上下文切换和进程/线程上下文的切换。而这些上下文切换,都是会消耗额外的CPU的资源的。

 

3、进一步谈谈协程的上下文切换  

 

 

那么协程就不需要上下文切换了吗？需要，但是不会产生 CPU上下文切换和进程/线程上下文的切换,因为这些切换都是在同一个线程中，即用户态中的切换，你甚至可以简单的理解为，协程上下文之间的切换，就是移动了一下你程序里面的指针，CPU资源依旧属于当前线程。

 

需要深刻理解的，可以再深入看看Go的GMP模型。

 

最终的效果就是协程进一步压榨了CPU的有效利用率。

 

回到开始的那个问题

 

 

这个时候就可能有人会说，我看系统监控的时候，内存和网络都很正常，但是CPU利用率却跑满了这是为什么？

 

注意本篇文章在谈到CPU利用率的时候，一定会加上有效两字作为定语，CPU利用率跑满，很多时候其实是做了很多低效的计算。

 

以"世界上最好的语言"为例，典型PHP-FPM的CGI模式，每一个HTTP请求:

 

• 都会读取框架的数百个php文件。

• 都会重新建立/释放一遍MYSQL/REIDS/MQ连接。

• 都会重新动态解释编译执行PHP文件。

• 都会在不同的php-fpm进程直接不停的切换切换再切换。

 

php的这种CGI运行模式，根本上就决定了它在高并发上的灾难性表现。

 

找到问题，往往比解决问题更难。当我们理解了当我们在谈论高并发究竟在谈什么 之后,我们会发现高并发和高性能并不是编程语言限制了你，限制你的只是你的思想。

 

找到问题,解决问题！当我们能有效压榨CPU性能之后,能达到什么样的效果?

 

下面我们看看 php+swoole的HTTP服务 与 Java高性能的异步框架netty的HTTP服务之间的性能差异对比。

 

性能对比前的准备

 

1、Swoole是什么？

 

Swoole是一个为PHP用C和C++编写的基于事件的高性能异步&协程并行网络通信引擎。

 

2、Netty是什么？

 

Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

 

3、单机能够达到的最大HTTP连接数是多少？

 

回忆一下计算机网络的相关知识，HTTP协议是应用层协议，在传输层，每个TCP连接建立之前都会进行三次握手。

 

每个TCP连接由 本地ip,本地端口,远端ip,远端端口,四个属性标识。

 

TCP协议报文头如下：

 

图片来自维基百科

 

本地端口由16位组成,因此本地端口的最多数量为 2^16 = 65535个。

 

远端端口由16位组成,因此远端端口的最多数量为 2^16 = 65535个。

 

同时，在linux底层的网络编程模型中，每个TCP连接，操作系统都会维护一个File descriptor(fd)文件来与之对应，而fd的数量限制，可以由ulimit -n 命令查看和修改，测试之前我们可以执行命令: ulimit -n 65536修改这个限制为65535。

 

因此，在不考虑硬件资源限制的情况下，本地的最大HTTP连接数为： 本地最大端口数65535 * 本地ip数1 = 65535 个。远端的最大HTTP连接数为：远端最大端口数65535 * 远端(客户端)ip数+∞ = 无限制~~ 。

 

实际上操作系统会有一些保留端口占用,因此本地的连接数实际也是达不到理论值的。

 

性能对比

 

1、测试资源  

 

各一台docker容器,1G内存+2核CPU,如图所示:

 

 

docker-compose编排如下:

 

 

# java8

version: "2.2"

services:

  java8:

    container_name: "java8"

    hostname: "java8"

    image: "java:8"

    volumes:

      - /home/cg/MyApp:/MyApp

    ports:

      - "5555:8080"

    environment:

      - TZ=Asia/Shanghai

    working_dir: /MyApp

    cpus: 2

    cpuset: 0,1

 

    mem_limit: 1024m

    memswap_limit: 1024m

    mem_reservation: 1024m

    tty: true

    

# php7-sw

version: "2.2"

services:

  php7-sw:

    container_name: "php7-sw"

    hostname: "php7-sw"

    image: "mileschou/swoole:7.1"

    volumes:

      - /home/cg/MyApp:/MyApp

    ports:

      - "5551:8080"

    environment:

      - TZ=Asia/Shanghai

    working_dir: /MyApp

    cpus: 2

    cpuset: 0,1

 

    mem_limit: 1024m

    memswap_limit: 1024m

    mem_reservation: 1024m

    tty: true    

 

2、php代码  

 

 

<?php

 

use Swoole\Server;

use Swoole\Http\Response;

 

$http = new swoole_http_server("0.0.0.0", 8080);

$http->set([

    'worker_num' => 2

]);

$http->on("request", function ($request, Response $response) {

    //go(function () use ($response) {

        // Swoole\Coroutine::sleep(0.01);

        $response->end('Hello World');

    //});

});

 

$http->on("start", function (Server $server) {

    go(function () use ($server) {

        echo "server listen on 0.0.0.0:8080 \n";

    });

});

$http->start();

 

3、Java关键代码  

 

源代码来自：https://github.com/netty/netty

 

 

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // Configure SSL.

        final SslContext sslCtx;

        if (SSL) {

            SelfSignedCertificate ssc = new SelfSignedCertificate();

            sslCtx = SslContextBuilder.forServer(ssc.certificate(), ssc.privateKey()).build();

        } else {

            sslCtx = null;

        }

 

        // Configure the server.

        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(2);

        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024);

            b.group(bossGroup, workerGroup)

             .channel(NioServerSocketChannel.class)

             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))

             .childHandler(new HttpHelloWorldServerInitializer(sslCtx));

 

            Channel ch = b.bind(PORT).sync().channel();

 

            System.err.println("Open your web browser and navigate to " +

                    (SSL? "https" : "http") + "://127.0.0.1:" + PORT + '/');

 

            ch.closeFuture().sync();

        } finally {

            bossGroup.shutdownGracefully();

            workerGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

 

因为我只给了两个核心的CPU资源，所以两个服务均只开启连个work进程即可。

 

5551端口表示PHP服务。 

 

5555端口表示Java服务。

 

4、压测工具结果对比  

 

ApacheBench (ab)，ab命令: docker run --rm jordi/ab -k -c 1000 -n 1000000 http://10.234.3.32:5555/

 

在并发1000进行100万次Http请求的基准测试中，Java + netty 压测结果:

 

 

 

PHP + swoole 压测结果：

 

 

 

 

上图选择的是三次压测下的最佳结果。

 

总的来说，性能差异并不大，PHP+swoole的服务甚至比Java+netty的服务还要稍微好一点，特别是在内存占用方面，java用了600MB，php只用了30MB。

 

这能说明什么呢？

 

没有IO阻塞操作，不会发生协程切换。

 

这个仅仅只能说明，多线程+epoll的模式下，有效的压榨CPU性能，你甚至用PHP都能写出高并发和高性能的服务。

 

性能对比——见证奇迹的时刻

 

上面代码其实并没有展现出协程的优秀性能，因为整个请求没有阻塞操作，但往往我们的应用会伴随着例如：文档读取、DB连接/查询等各种阻塞操作，下面我们看看加上阻塞操作后，压测结果如何。

 

Java和PHP代码中，我都分别加上 sleep(0.01) //秒的代码，模拟0.01秒的系统调用阻塞。

 

代码就不再重复贴上来了。

 

带IO阻塞操作的 Java + netty 压测结果:

 

 

大概10分钟才能跑完所有压测。。。

 

带IO阻塞操作的 PHP + swoole 压测结果:

 

 

 

 

从结果中可以看出，基于协程的php+ swoole服务比 Java + netty服务的QPS高了6倍。

 

当然，这两个测试代码都是官方demo中的源代码，肯定还有很多可以优化的配置，优化之后，结果肯定也会好很多。

 

可以再思考下，为什么官方默认线程/进程数量不设置的更多一点呢？

 

进程/线程数量可不是越多越好哦，前面我们已经讨论过了，在进程/线程切换的时候，会产生额外的CPU资源花销，特别是在用户态和内核态之间切换的时候！

 

对于这些压测结果来说，我并不是针对Java，我是指，只要明白了高并发的核心是什么，找到这个目标，无论用什么编程语言，只要针对CPU利用率做有效的优化(连接池、守护进程、多线程、协程、select轮询、epoll事件驱动)，你也能搭建出一个高并发和高性能的系统。

 

所以，你现在明白了，当我们在谈论高性能的时候，究竟在谈什么了吗？

 

思路永远比结果重要！