如何提高网络的吞吐量
Posted on Wed, 25 Dec 2024 10:31:00 +0800 by LiangMingJian
服务器（进程）级别
服务器级别增加网站吞吐量是诸多措施中最容易并且是效果最好的，如果一个网站能通过增加少量的服务器来提高吞吐量，应该优先采用。毕竟一台服务器的费用相比较一个程序员费用来说要低的多。但是有一个前提，就是你的服务器是系统的瓶颈，网站系统之后的其他系统并非瓶颈。如果你的系统的瓶颈在接口或者其他服务，盲目的增加服务器并不能解决你的问题。
通过增加服务器来解决你的网站瓶颈，意味着你的网站需要做负载均衡。负载均衡(Load Balance)，其含义就是指将负载（工作任务）进行平衡、分摊到多个操作单元上进行运行，例如FTP服务器、Web服务器、企业核心应用服务器和其它主要任务服务器等，从而协同完成工作任务。负载均衡的方案，比如 LVS、Nginx、F5 等。
线程级别
当一个请求到达服务器并且正确的被服务器接收之后，最终执行这个请求的载体是一个线程。当一个线程被CPU载入执行其指令的时候，在同步的状态下，当前线程会阻塞在那里等待CPU结果，如果CPU执行的是比较慢的IO操作，线程会一直被阻塞闲置很长时间，这里的很长是对比CPU的速度而言。当一个新的请求到来的时候，如果没有新的线程去领取这个任务并执行，要么会发生异常，要么创建新的线程。
线程是一种很稀缺的资源，不可能无限制的创建。这种情况下我们就要把线程这种资源充分利用起来，不要让线程停下来。这也是程序推荐采用异步的原因。试想，一个线程不停的在工作，遇到比较慢的IO不会去等待结果，而是接着处理下一个请求，当IO的结果返回来得到通知的时候，线程再去取IO结果，岂不是能在相同时间内处理更多的请求。程序异步化（非阻塞）会明显提高系统的吞吐量，但是响应时间可能会稍微变大。
还有一点，尽量减少线程上下文在CPU的切换，因为线程上线文切换的成本也是比较大的，在线程切换的时候，CPU需要把当前线程的上下文信息记录下来用以下次调用的时候使用，然后把新线程的上下文信息载入然后执行。这个过程相对于CPU的执行速度而言，要慢很多。
CPU级别
现代操作系统都采用虚拟寻址的方式，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统将虚拟空间分为两类：内核空间和用户空间。
- 内核空间独立于用户空间，有访问受保护的内存空间、IO设备的权限（所有的用户空间共享）。
- 用户空间就是我们的应用程序运行的空间，其实用户空间并没有操作各种IO设备的权限，像我们平时读取一个文件，本质上是委托内核空间去执行读取指令的，内核空间读取到数据之后再把数据复制到程序运行的空间，最后应用程序再把数据返回调用方。
内核会为每个I/O设备维护一个 buffer（同一个文件描述符读和写的buffer不同），应用程序发出一个IO操作的指令其实通过了内核空间和用户空间两个部分，并且发生了数据的复制操作。这个过程其实主要包含两个步骤：用户进程发出操作指令并等待数据；内核把数据返回给用户进程（buffer的复制操作）。根据这两个操作的不同表现，所以IO模型有了同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞的概念。利用CPU提高系统吞吐量主要目标是提高单位时间内CPU运行的指令数，避免CPU做一些无用功。可以通过增加CPU的个数来增加吞吐量
CPU负责把buffer的数据copy到应用程序空间，应用程序再把数据返回给调用方，假如这个过程发生的是一次Socket操作，应用程序在得到 IO 返回数据之后，还需要网卡把数据返回给client端，这个过程又需要把刚刚得到的buffer数据再次通过内核发送至网卡，通过网络传送出去。由此可见CPU把buffer数据copy到应用程序空间这个过程完全没有必要，在内核空间完全可以把buffer数据直接传输至网卡，这也是零拷贝技术要解决的问题。
PS：零复制 (Zero-copy) 技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。
网络传输级别
由于协议大部分是TCP/IP，所以在协议传输方面优化的手段比较少，但是应用程序级别协议可以选择压缩率更好的，比如采用GRPC会比单纯的HTTP协议要好很多，HTTP2 要比HTTP 1要好很多。
另外一方面网卡尽量加大传输速率，比如千兆网卡要比百兆网卡速度更快。由于网络传输比较偏底层，所以人工干预的切入点会少很多。
代码层
- 加大应用的进程数，增加并发数，特别在进程数是瓶颈的情况下；
- 优化线程调用，尽量线程池化；
- 应用的代码异步化，特别是异步非阻塞式编程对于提高吞吐量效果特别明显；
- 充分利用多核CPU优势，实现并行编程；
- 减少每个调用的响应时间，缩短调用链，例如通过加索引的方式来减少访问一次数据库的时间；