15 | 理论先行：高并发设计必须学的知识点有哪些？

Node.js 应用开发实战 - 高级前端开发工程师 - 拉勾教育

前面几讲我们学习的性能相关的知识点，都是基于单个接口或者单个服务，从这一讲开始，我们将从系统层面设计高并发的系统，所以掌握单个接口技术性能相关的知识远远不够，你还要拓展更多的知识点，比如服务器内核配置、单机单服务部署和多机多服务部署、多机器负载均衡策略以及如何做并行压测等。

那么今天，我就先带你回顾一下前面第 1、6、7、8 和 9 讲的设计要点，然后在此基础上，带你学习一些需要进一步实践的相关知识。

知识回顾

对于单个服务或者单个接口，我们学习了在 Node.js 中要着重注意的 5 个高性能点。

1. 主线程避阻塞，特别是一些复杂 CPU 密集计算型，最好的方式是交由其他进程处理，减少当前服务进程的阻塞；
2. 多进程 cluster 模式的应用，充分利用多核服务器，能够在单台机器启用多个进程进行负载均衡，提升服务的稳定性；
3. 在 I/O 方面要注重缓存的应用，本地缓存优先、其次共享内存、最后再是数据库（能用本地缓存的尽量用，不能用本地缓存的考虑共享内存，如果共享内存也不行，那么就需要使用数据库，而数据库可以优先考虑 MongoDB 内存查询效率更高的数据库，最后再考虑 MySQL，如果遇到必须查询或者写 MySQL 时，可以用延迟队列方式）；
4. 过载保护策略，提升服务的稳定性，在服务过载时，保住部分用户的请求链路，以免影响所有用户；
5. 工具自动化，单接口单服务性能保证，在上线前至少保证代码没有性能异常问题。

以上是我们之前学习的一部分知识，其中会涉及应用细节，比如在缓存方面我们不仅仅要考虑缓存数据，还应该考虑存储过期的问题；又比如过载保护，什么样的过载参数适合我们当前服务，这些都需要你进行实践应用，去沉淀和总结。

高并发知识

除了上述知识点，我认为你还需要掌握以下 5 个关键的知识点：

1. 微服务拆分、独立系统、可扩展、可分流；
2. 机器内核网络配置；
3. 单机单服务和单机多服务；
4. 多机器部署负载均衡；
5. 并行压测。

接下来我带你学习每个技术点的核心部分。

微服务拆分

微服务拆分要分阶段来进行，在项目初期，微服务拆分建议在项目中去进行，其核心是 Controller 、 Model 以及 Service 的代码按项目区分，比如可以按照下面这种方式。

图 1 项目拆分方式

在项目初期，流量并发并不高，该方式比较好维护，但随着项目流量以及功能越来越多，就应该考虑微服务拆分。主要是按照业务功能进行拆分（这里你要注意，基础服务模块在 Node.js 中最好不要拆分为服务，而应该拆分为模块，模块调用的方式肯定比网路性能更高）。

在业务功能较复杂时，拆分出独立的项目有这样几个好处：

1. 便于扩展和后期维护；
2. 能够独立部署，针对流量不同的业务，独立安排部署；
3. 功能解藕、服务安全、减少相互影响，避免一个业务承载压力过大，导致所有服务异常；
4. 多人协作开发模式清晰，可以按照功能模块进行团队人力划分，这样既清晰又便于团队合作管理；

既然有这些优点，那么我们应该如何去做微服务拆分呢？

最简单的方式，就是将图 1 中的模块按照文件模块进行拆分，其他保持不变。假设 user 模块流量较大，那么我们就需要单独拆分这个模块到一个项目，其他的部分我们复制一份。

上面这种方式固然是比较简单的，但是问题来了，我们很多基础模块都复制了一份，以后怎么去维护，项目越多发现维护成本会越来越高，那么有没有更好的方式来处理呢？

我们需要将通用的部分进行整合，然后不同的部分进行拆分，比如上面的项目结构，可以拆分出这样的结构。

图 2 拆分方式

图 2 中 common 为我们公共部分，main 为流量较小项目，user 则为一个独立的比较大流量的模块，这样就可以做到单独拆分并且公用。现网发布时，如果发布的是 user 服务，则只发布 common 和 user，如果发布 main 服务，则只发布 common 和 main。这样就可以做到既复用又独立的方式。

当然微服务拆分也会让开发者的开发模式更为复杂，团队协作沟通成本更高。

机器内核网络配置

微服务拆分是基于一种框架的解决方案，能降低耦合提升单个服务的处理能力，但不能实质性的提升整体服务的并发处理能力，而服务器内核的网络配置却在一定程度上可以提升并发处理能力。关于机器内核网络配置，这里会涉及几个比较关键的内核配置（请注意，一般情况下请勿修改内核配置，要修改也请运维比较专业的人员进行配置）。

我们来看下调优 TCP 相关的一些参数。具体配置在 /etc/sysctl.conf 文件中，或者也可以创建新配置文件，比如 /etc/sysctl.d/99-tuning.conf ，然后运行 sysctl -p，让内核装载这个配置。

net.ipv4.ip_local_port_range='1024 65000'
net.ipv4.tcp_tw_reuse='1'
net.ipv4.tcp_fin_timeout='15'
net.core.netdev_max_backlog='4096'
net.core.rmem_max='16777216'
net.core.somaxconn='4096'
net.core.wmem_max='16777216'
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog='20480'
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets='400000'
net.ipv4.tcp_no_metrics_save='1'
net.ipv4.tcp_rmem='4096 87380 16777216'
net.ipv4.tcp_syn_retries='2'
net.ipv4.tcp_synack_retries='2'
net.ipv4.tcp_wmem='4096 65536 16777216'
vm.min_free_kbytes='65536'

这里重点说下几个配置。

• ip_local_port_range： 如果在请求高并发时，会导致端口不够用，因此需要调整范围，但是你要注意，范围并不是越小越好，如果从 1024 开始，也可能会与系统相关的进程服务端口冲突，从而导致请求失败。
• net.ipv4.tcp_tw_reuse： 当服务器要在大量 TCP 连接之间切换时，会产生大量处于 TIME_WAIT 状态的连接。TIME_WAIT 意味着连接本身是关闭的，但资源没有释放，将 net_ipv4_tcp_tw_reuse 设置为 1 是让内核在安全时尽量回收连接，这比重新建立新连接便宜得多。
• net.ipv4.tcp_fin_timeout： 这是处于 TIME_WAIT 状态的连接在回收前必须等待的最小时间，改小它可以加快回收，当然也不是越小越好，如果太小比如设置 5，可能会导致 TCP 连接异常。

如果需要对其他的配置进行改动，希望大家在改动前大家先深入去了解 Linux 内核参数的作用，它的改动范围以及所带来的影响面，这部分改动如果出现问题，可能会出现一些难以定位的现网问题。

单机单服务和单机多服务

Node.js 服务在部署时，需要分 2 种情况：

• 单机只部署一个 Node.js 服务；
• 单机上部署多个 Node.js 服务。

我们分别看一下这两者需要注意的细节。

单机单服务

单机单服务适合并发较大、功能底层的服务，比如 Node.js 做业务网关时，就适合单机单服务。因为网关并发一般较大，需要非常严谨地了解当前承担的并发和性能。而单机单服务则可以非常精准的了解性能数据，不会被外界因素干扰。

在应用这种服务时，你要按照机器核数来启用进程数，等于或者小于核数（最好是小于核数），避免在并发较高时，占满 CPU ，从而影响机器性能，系统资源无法调度，那样就非常危险。

单机多服务

单机多服务适合于多个业务服务，但这多个业务并发相对不高，比如应用 Node.js 做一些活动或者通用中台服务时。该情况不利于判断当前服务启用的进程数，需要根据具体的业务判断。

假设我们在一台 16 核机器上部署 2 个服务，一个并发较高，一个并发较低，但是两者经过分析，并发高的 10 核就可以满足到要求，而并发低的只需要 4 核就足够。这种情况就不会有太大的风险，因为加起来 14 核，也不会影响到性能问题。但两者加起来如果超出 16 核，比如并发低的需要 8 核才能满足业务，就要考虑两者在什么场景下是否存在同时并发的压力，如果存在并发压力就应该考虑将两者分到不同机器上，而不是同一台机器上，或者增加机器来满足当前业务场景。

如果一台机器上有 4 个服务呢？分析方法还是和上面相似，按照以下几个步骤来评判。

1. 判断 4 个服务加起来是否超出当前 CPU 总核数；
2. 不超出不会有影响，超出时则判断多个服务是否会在同时最大并发数，或者最大并发的服务加起来是否会超出当前 CPU 核数；
3. 多个服务最大并发不会超出 CPU 核数时，则可以合并部署；
4. 多个服务最大并发会超出 CPU 核数时，就需要考虑拆分服务出去，或者增加机器，减少 CPU 核数占用，比如原来是 6 核 2 台机器，现在增加了 2 台机器，可以 3 核 4 台机器，虽然这种方法计算不够准确，但是可以这样参考。

实际开发过程中监控和性能告警是非常重要的，当 CPU 长期处于高负荷时，一定是需要告警的，我们才能知道是否需要进一步扩容或者性能优化提升。

多机器部署负载均衡

上面我介绍的是单机注意的细节，接下来我们再来看一下多机器的负载均衡方案。后台服务一般都有个独立 IP:PORT ，如果有域名，一般会选择用 Nginx 作为负载均衡的服务，没有域名的话，多个服务之间调用。多服务之间调用，就需要使用到一个叫作名字服务的功能，该功能主要是使用方可以通过一个字符串名字，随机获取一个可用的 IP:PORT 配置；

图 3 负载均衡方法

图 3 就是一个负载均衡的方案，对于域名访问按照刚才所说可以使用 Nginx，而对于服务间调用则使用名字服务。这种方案，可以适配我们现在的绝大不多数后台多服务的负载均衡方案，因此对于 Node.js 来说，我们实际开发中负载均衡也是使用这套方案。

并行压测

如果我们服务使用了刚才上面所介绍的多服务负载均衡的方案，那么我们就需要去学习一种新的方案来评估服务承载能力。接下来我们就来学习一下，怎么有效地评估服务承载的情况。

1. 首先应用 clinicjs 压测工具，检测单个接口是否存在性能问题；

2. 计算当前服务所应该承担的最大并发情况，我们用一个渐进性的表格来分析，如表格 1。

表格 1 预测并发压力方式

比如我们当前 DAU 1000 万，最高在线人数 12% ，因此最高的在线人数 120 万，而按照秒来计算的话，我们用当前数除以 60 就是每秒，但是由于不是严格除以 60 ，我们需要乘以 5 来确保安全，最后 10% 的在线用户会使用到该服务，所以该服务最大并发数是 1 万 QPS。

假设我们有 4 台服务器，按照平均分配的话，那么每台机器处理并发数大概是 2500 的 QPS 。

得到 1 万的结论后，我们再细分接口的并发数，得到一个像表格 2 的结论。

表格 2 并发结论

3. 拿到表格 2 结论后，就可以联合的压测以上 4 个接口了，分别按照 1000 、200 、1000 和 300 的并发去压测；

4. 压测后就可以得出当前服务的情况，接下来就需要进行多台机器联合压测，在现网一般情况下是无法 4 台同时摘除压测的，可以考虑在现网比较空闲的时段，使用 2 台进行压测进一步分析是否满足要求；

5. 如果单台机器涉及多服务，那么则需要将多个服务进行联合压测，才能真实的得到现网的负载承受能力。

这里就不详细的实践压测细节了，压测这部分还需要你自己多进行学习和深入掌握。

总结

总的来说，这一讲也是我之前使用 Node.js 开发沉淀下来的一些经验，你在学习本讲时，着重了解这些知识点即可，在实际应用过程中再来逐个参考，我这里所介绍的也是一个参考项，真正实际应用过程中还需要你和项目组的同事一起讨论。

这一讲，我提到了并行压测，今天的作业就是：希望你应用 wrk 来实现一个联合压测工具，可行的话可以在评论区分享给后面的同学。下一讲我们将实现一个通用的透传类的 Node.js 服务，也就是一个简单版本的业务网关服务。