一、越來越多的并發連接數

現在的Web系統面對的并發連接數在近幾年呈現指數增長，高并發成為了一種常態，給Web系統帶來不小的挑戰。以最簡單粗暴的方式解決，就是增加Web系統的機器和升級硬件配置。雖然現在的硬件越來越便宜，但是一味地通過增加機器來解決并發量的增長，成本是非常高昂的。結合技術優化方案，才是更有效的解決方法。

并發連接數為什么呈指數增長？實際上，從這幾年的用戶基數上看，這個數量并沒有出現指數增長，因此它并非主要原因。主要原因，還是web變得更復雜，交互更豐富所導致的。

1.?頁面元素增多，交互復雜

Web頁面元素越來越多，更為豐富。更多的資源元素，意味著更多的下載請求。Web系統的交互越來越復雜，交互場景和次數也大幅增加。以“www.qq.com”的首頁為例子，刷新一次，大概會有244個請求。并且，在頁面打開完成之后，還會有一些定時的查詢或者上報請求持續運作。

目前的Http請求，為了減少反復的創建和銷毀連接行為，通常都建立長連接（Connection?keep-alive）。一經建立，這個連接會被保持住一段時間，被后續請求復用。然而，它也帶來了另一個新的問題，連接的保持是會占用Web系統服務端資源的，如果不充分使用這個連接，會導致資源浪費。長連接被創建后，首批資源傳輸完畢，之后幾乎沒有數據交互，一直到超時時間，才會自動釋放長連接占據的系統資源。

除此之外，還有一些Web需求本身就需要長期保持連接的，例如Web?socket。

2.?主流的本瀏覽器的連接數在增加

面對越來越豐富的Web資源，主流瀏覽器并發連接數也在增加，同一個域下，早期的瀏覽器一般只有1-2個下載連接，而目前的主流瀏覽器通常在2-6個。增加瀏覽器并發連接數目，在需要下載資源比較多的場景下，可以加快頁面的加載速度。更多的連接對瀏覽器加載頁面元素是有好處的，在某些連接遭遇“網絡阻塞”的情況下，其他正常的下載連接可以繼續工作。

這樣自然無形增加了Web系統后端的壓力，更多的下載連接意味著占據了更多的Web服務器的資源。而在用戶訪問高峰期，自熱而然就形成了“高并發”場景。這些連接和請求，占據了服務器的大量CPU和內存等資源。尤其在資源數目超過100+的網站頁面中，使用更多的下載連接，非常有必要。

二、Web前端優化，降低服務端壓力

在緩解“高并發”的壓力，需要前端和后端的共同配合優化，才能達到最大效果。在用戶第一線的Web前端，可以起到減少或者減輕Http請求的效果。

1.?減少Web請求

常用的實現方法是通過Http協議頭中的expire或max-age來控制，將靜態內容放入瀏覽器的本地緩存，在之后的一段時間里，不再請求Web服務器，直接使用本地資源。還有HTML5中的本地存儲技術（LocalStorage），也被作為一個強大的數據本地緩存。

這種方案緩存后，根本不發送請求到Web服務器，大幅降低服務器壓力，也帶來了良好的用戶體驗。但是，這種方案，對首次訪問的用戶無效，同時，也影響部分Web資源的實時性。

2.?減輕Web請求

瀏覽器的本地緩存是存在過期時間的，一旦過期，就必須重新向服務器請求。這個時候，會有兩種情形：

（1）服務器的資源內容沒有更新，瀏覽器請求Web資源，服務器回復“可以繼續使用本地緩存”。（發生通信，但是Web服務器只需要做簡單“回復”）

（2）服務器的文件或者內容已經更新，瀏覽器請求Web資源，Web服務器通過網絡傳輸新的資源內容。（發生通信，Web服務器需要完成復雜的傳輸工作）

這里的協商方式是通過Http協議的Last-Modified或Etag來控制，這個時候請求服務器，如果是內容沒有發生變更的情況，服務器會返回304?Not?Modified。這樣的話，就不需要每次請求Web服務器都做復雜的傳輸完整數據文件的工作，只要簡單的http應答就可以達到相同的效果。

雖然上述請求，起到“減輕”Web服務器的壓力，但是連接仍然被建立，請求也發生了。

3.?合并頁面請求

如果是比較老一些的Web開發者，應該會更有印象，在ajax盛行之前。頁面大部分都是直接輸出的，并沒有這么多的ajax請求，Web后端將頁面內容完全拼湊好了，再返回給前端。那個時候，頁面靜態化，是一個挺廣泛的優化方式。后來，被交互更友好的ajax漸漸替代了，一個頁面的請求也變得越來越多。

由于移動端的網絡（2G/3G）比起PC寬帶差很多，并且部分手機配置比較低，面對一個超過100個請求的網頁，加載的速度會緩慢很多。于是，優化的方向又重新回到合并頁面元素，減少請求數量：

（1）合并HTML展示內容。將CSS和JS直接嵌入到HTML頁面內，不通過連接的方式引入。

（2）Ajax動態內容合并請求。對于動態內容，將10次Ajax請求合并為1次的批量信息查詢。

（3）小圖片合并，通過CSS的偏移量技術Sprites，將很多小圖片合并為一張。這個優化方式，在PC端的Web優化中，也非常常見。

合并請求，減少了傳輸數據的次數，也就是相當于將它們從一個一個地請求，變為一次的“批量”請求。上述優化方法，到達“減輕”Web服務器壓力的目的，減少了需要建立的連接。

三、?節約Web服務端的內存

前端的優化完成，我們就需要著眼于Web服務端本身。內存是Web服務器非常重要的資源，更多的內存通常意味著可以同時放入更多的工作任務。就Web服務占用內存而言，可以粗略劃分：

（1）用來維持連接的基本內存，進程初始化時，會載入一些基礎模塊到內存。

（2）被傳輸的數據內容載入到各個緩沖區，占據的內存。

（3）程序執行過程中，申請和使用的內存。

如果維持一個連接，能夠盡可能少占用內存，那么我們就可以維持更多的并發連接，從而讓Web服務器支持更多的并發連接數。

Apache（httpd）是一個成熟并且古老的Web服務，而Apache的發展和演變，一直在追求做到這一點，它試圖不斷減少服務占據的內存，以支持更大的并發量。以Apache的工作模式的演變為視角，我們一起來看看，它們是如何優化內存的問題的。

1.?prefork?MPM，多進程工作模式

prefork是Apache最成熟和穩定的工作模式，即使是現在，仍然被廣泛使用。主進程生成后，它先完成基礎的初始化工作，然后，通過fork預先產生一批的子進程（子進程會復制父進程的內存空間，不需要再做基礎的初始化工作）。然后等待服務，之所以預先生成，是為了減少頻繁創建和銷毀進程的開銷。多進程的好處，是進程之間的內存數據不會相互干擾，同時，某個進程異常終止也不會影響其他進程。但是，就內存而言，每個httpd子進程占用了很多的內存，因為子進程的內存數據是復制父進程的。我們可以粗略認為，這里存在大量的“重復數據”被放在內存中。最終，導致我們能夠生成的子進程最大數量是很有限。在面對高并發時，因為有不少Keep-alive的長連接，將這些子進程“霸占”住，很可能導致可用子進程耗盡。因此，prefork并不太適合高并發場景。

• 優點：成熟穩定，兼容所有新老模塊。同時，不需要擔心線程安全的問題。（例如，我們常用的mod_php，將PHP編譯為Apache的子模塊，就不需要支持線程安全）
• 缺點：一個服務進程占用很多內存。

2.?worker?MPM，多進程和多線程的混合模式

worker模式比起prefork，是使用了多進程和多線程的混合模式。它也預先fork了幾個子進程（數量很少），然后每個子進程創建一些線程（其中包括一個監聽線程）。每個請求過來，會被分配到1個線程來服務。線程比起進程會更輕量，因為線程通常會共享父進程的內存空間，因此，內存的占用會減少一些。在高并發的場景下，因為比起prefork更省內存，因此會有更多的可用線程。

但是，它并沒有解決Keep-alive的長連接“霸占”線程的問題，只是對象變成了比較輕量的線程。

有些人會覺得奇怪，那么這里為什么不完全使用多線程呢，還要引入多進程？因為還需要考慮穩定性，如果一個線程掛了，會導致同一個進程下其他正常的子線程都掛了。如果全部采用多線程，某個線程掛掉，就導致整個Apache服務“全軍覆沒”。而目前的工作模式，受影響的只是Apache的一部分服務，而不是整個服務。

線程共享父進程的內存空間，減少了內存的占用，卻又引起了新的問題。就是“線程安全”，多個線程修改共享資源導致的“競爭行為”，又強迫我們所使用的模塊必須支持“線程安全”。因此，它有一定程度上增加Web服務的不穩定性。例如，mod_php所使用的PHP拓展，也同樣需要支持“線程安全”，否則，不能在該模式下使用。

• 優點：占據更少的內存，高并發下表現更優秀。
• 缺點：必須考慮線程安全的問題，同時鎖的引入又增加了CPU的開銷。

3.?event?MPM，多進程和多線程的混合模式，引入Epoll

這個是Apache中比較新的模式，在現在的版本（Apache?2.4.10）已經是穩定可用的模式。它和worker模式很像，最大的區別在于，它解決了keep-alive場景下，長期被占用的線程的資源浪費問題。event?MPM中，會有一個專門的線程來管理這些keep-alive類型的線程，當有真實請求過來的時候，將請求傳遞給服務線程，執行完畢后，又允許它釋放。它減少了“占據”連接而又不使用的資源浪費，增強了高并發場景下的請求處理能力。因為減少了“閑等”的線程，線程的數量減少，同等場景下，內存占用會下降一些。

event?MPM在遇到某些不兼容的模塊時，會失效，將會回退到worker模式，一個工作線程處理一個請求。新版Apache官方自帶的模塊，全部是支持event?MPM的。注意一點，event?MPM需要Linux系統（Linux?2.6+）對EPoll的支持，才能啟用。Apache的三種模式中在真實應用場景中，event?MPM是最節約內存的。

4.?使用比較輕量的Nginx作為Web服務器

雖然Apache的不斷優化，減少了內存占用，從而增加了處理高并發的能力。但是，正如前面所說，Apache是一個古老而成熟的Web服務，同時，集成很多穩定的模塊，是一個比較重的Web服務。Nginx是個比較輕量的Web服務，占據的內存天然就少于Apache。而且，Nginx通過一個進程來服務于N個連接。所使用的方式，并不是Apache的增加進程/線程來支持更多的連接。對于Nginx來說，它少創建了大量的進程/線程，減少了很多內存的開銷。

靜態文件的QPS性能壓測結果，Nginx性能大概3倍于Apache對靜態文件的處理。PHP等動態文件的QPS，Nginx的做法通常是通過FastCGI的方式和PHP-FPM通信的方式完成，PHP作為一個與之無關的外部服務存在。而Apache通常將PHP編譯為自己的子模塊（新版的Apache也支持FastCGI）。PHP動態文件，Nginx的表現略遜于Apache。

5.?sendfile節約內存

Apache、Nginx等不少Web服務，都帶有sendfile支持的。sendfile可以減少數據到“用戶態內存空間”（用戶緩沖區）的拷貝，進而減少內存的占用。當然，很多同學第一個反應當然是問Why？為了盡可能清楚講述這個原理，我們就先回Linux內核態和用戶態的存儲空間的交互。

一般情況下，用戶態（也就是我們的程序所在的內存空間）是不會直接讀寫或者操作各種設備（磁盤、網絡、終端等），中間通常用內核作為“中間人”，來完成對設備的操作或者讀寫。

以最簡單的磁盤讀寫例子，從磁盤中讀取A文件，寫入到B文件。A文件數據是從磁盤開始，然后載入到“內核緩沖區”，然后再拷貝到“用戶緩沖區”，我們才可以對數據進行處理。寫入的時候，也同理，從“用戶態緩沖區”載入到“內核緩沖區”，最后寫入到磁盤B文件。

這樣寫文件很累吧，于是有人覺得這里可以跳過“用戶緩沖區”的拷貝。其實，這就是MMP（Memory-Mapping，內存映射）的實現，建立一個磁盤空間和內存的直接映射，數據不再復制到“用戶態緩沖區”，而是返回一個指向內存空間的指針。于是，我們之前的讀寫文件例子，就會變成，A文件數據從磁盤載入到“內核緩沖區”，然后從“內核緩沖區”復制到B文件的“內核緩沖區”，B文件再從”內核緩沖區“寫回到磁盤中。這個過程，減少了一次內存拷貝，同時也少內存占用。

好了，回到sendfile的話題上來，簡單的說，sendfile的做法和MMP類似，就是減少數據從”內核態緩沖區“到”用戶態緩沖區“的內存拷貝。

默認的磁盤文件讀取，到傳輸給socket，流程（不使用sendfile）是：

使用sendfile之后：

這種方式，不僅節省了內存，而且還有CPU的開銷。

四、節約Web服務器的CPU

對Web服務器而言，CPU是另一個非常核心的系統資源。雖然一般情況下，我們認為業務程序的執行消耗了我們主要CPU。但是，就Web服務程序而言，多線程/多進程的上下文切換，也是比較消耗CPU資源的。一個進程/線程通常不能長期占有CPU，當發生阻塞或者時間片用完，就無法繼續占用CPU，這個時候，就會發生上下文切換，CPU時間片從老進程/線程切換到新的。除此之外，在并發連接數目很高的場景下，對這些用戶建立的連接（socket文件描述符）狀態的輪詢和檢測，也是比較消耗CPU的。

而Apache和Nginx的發展和演變，也在努力減少CPU開銷。

1.?Select/Poll（Apache早期版本的I/O多路復用）

通常，Web服務都要維護很多個和用戶通信的socket文件描述符，I/O多路復用，其實就是為了方便對這些文件描述符的管理和檢測。Apache早期版本，是使用select的模式，簡單的說，就是將這些我們關注的socket文件描述符交給內核，讓內核告訴我們，那些描述符可操作。Poll與select原理基本相同，因此放在一起，它們之間的區別，就不贅敘了哈。

select/poll返回的是一個我們之前提交的文件描述符集合（內核將其中可讀、可寫或者異常狀態的socket文件描述符的標識位修改了），我們需要通過輪詢檢查才能獲得我們可以操作的文件描述符。在這個過程中，不斷重復執行。在實際應用場景中，大部分被我們監控的socket文件描述符，都是”空閑的“，也就是說，不能操作。我們對整個集合輪詢，就是為了找了少部分我們可以操作的socket文件描述符。于是，當我們監控的socket文件描述符越多（用戶并發連接數越來越多），這個輪詢工作，也就越來越沉重，進而導致增大了CPU的開銷。

如果我們監控的socket文件描述符，幾乎都是”活躍的“，反而使用這種模式更合適一點。

2.?Epoll（新版的Apache的event?MPM，Nginx等支持）

Epoll是Linux2.6開始正式支持的I/O多路復用，我們可以理解為它是對select/poll的改進。首先，我們同樣將我們關注的socket文件描述符集合告訴給內核，同時，給它們注冊”回調函數“，如果某個socket文件準備好了，就通過回調函數通知我們。于是，我們就不需要專門去輪詢整個全量的socket文件描述符集合，直接可以得到已經可操作的socket文件描述符。那么，那些大部分”空閑“的描述符，我們就不遍歷了。即使我們監控的socket文件描述越來越多，我們輪詢的也只是”活躍可操作“的socket文件描述符。

其實，有一種極端點的場景，就是我們全部文件描述符幾乎都是”活躍“的，這樣反而導致了大量回調函數的執行，又增加了CPU的開銷。但是，就Web服務的真實場景，絕大部分時候，都是連接集合中都存在很多”空閑“連接。

3.?線程/進程的創建銷毀和上下文切換

通常，Apache某一個時間內，是一個進程/線程服務于一個連接。于是，Apache就有很多的進程/線程，服務于很多的連接。Web服務在高峰期，會建立很多的進程/線程，也就帶來很多的上下文切換開銷。而Nginx，它通常只有1個master主進程和幾個worker子進程，然后，1個worker進程服務很多個連接，進而節省了CPU的上下文切換開銷。

兩種模式雖然不同，但實際上不能直接出分好壞，綜合來說，各有各自的優勢，就不妄議了哈。

4.?多線程下的鎖對CPU的開銷

Apache中的worker和event模式，都有采用多線程。多線程因為共享父進程的內存空間，在訪問共享數據的時候，就會產生競爭，也就是線程安全問題。因此通常會引入鎖（Linux下比較常用的線程相關的鎖有互斥量metux，讀寫鎖rwlock等），成功獲取鎖的線程可以繼續執行，獲取失敗的通常選擇阻塞等待。引入鎖的機制，程序的復雜度往往增加不少，同時還有線程“死鎖”或者“餓死”的風險（多進程在訪問進程間共享資源的時候，也有同樣的問題）。

死鎖現象（兩個線程彼此鎖住對方想要獲取的資源，相互阻塞等待，永遠無法達不到滿足條件）：

餓死現象（某個線程，一直獲取不到它想要鎖資源，永遠無法執行下一步）：

為了避免這些鎖導致的問題，就不得不加大程序的復雜度，解決方案一般有：

（1）對資源的加鎖，根據約定好的順序，大家都先對共享資源X加鎖，加鎖成功之后才能加鎖共享資源Y。

（2）如果線程占有資源X，卻加鎖資源Y失敗，則放棄加鎖，同時也釋放掉之前占有的資源X。

在使用PHP的時候，在Apache的worker和event模式下，也必須兼容線程安全。通常，新版本的PHP官方庫是沒有線程安全方面的問題，需要關注的是第三方擴展。PHP實現線程安全，不是通過鎖的方式實現的。而是為每個線程獨立申請一份全局變量的副本，相當于線程的私人內存空間，但是這樣做相對消耗多一些內存。不過，這樣的好處，是不需要引入復雜的鎖機制實現，也避免了鎖機制對CPU的開銷。

這里順便提到一下，經常和Nginx搭配工作的PHP-FPM（FastCGI）使用的是多進程，因此不會有線程安全的問題。

五、?小結

可能有些同學看完之后，會得出結論，Nginx+PHP-FPM的工作方式，似乎是最節省系統資源的Web系統工作方式。某種程度上說，的確是可以這么說的，但是Web系統的搭建，需要從實際業務應用的角度出發，具體問題需要具體分析，尋求最合適的技術方案。

Web服務的不斷演變和發展，努力地追求用盡可能少的系統資源，來支撐更多的用戶請求，這是一條波瀾壯闊的前進之路。這些技術方案，匯聚了很多值得學習和借鑒的解決問題的思路。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的高并发Web服务的演变：节约系统内存和CPU的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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