常见并发服务器实现方案分析

首先，我们要清楚，什么是并发？什么是多线程？为什么需要多线程？为什么需要并发服务器？

为什么要使用多线程技术

为什么多线程会提高响应速度？

我们知道，线程一般分为：I/O线程（这里特指网络I/O，每个reactor就是一个IO线程）；计算线程，==》耗费cpu；第三方库所用线程，如logging，又比如database//这些操作不应该放在计算线程中执行。

例如记录日志，多个线程写日志，由于文件操作比较慢，服务线程会等在IO上，让CPU空闲，增加响应时间。

解决办法：单独用一个logging线程负责收集日志消息，并写入磁盘文件，通过BlockingQueue提供对外接口，别的线程要写日志时，往队列中塞就行，这样服务线程的计算和logging线程的磁盘IO就可以重叠。将耗时的IO操作单独作为一个线程，不去影响其他计算线程的运行，提高其他线程的响应时间。如果异步io成熟的话，可以使用protator模式，（还可以使单个线程io和计算重叠）

多线程能提高并发度吗？

如果指的是“并发连接数”，不能。假如单纯采用 thread per connection 的模型，那么并发连接数大约300，这远远低于基于事件的单线程程序所能轻松达到的并发连接数（几千上万，甚至几万）。所谓“基于事件”，指的是用 IO multiplexing event loop 的编程模型，又称 Reactor 模式。

多线程能提高吞吐量吗？

对于计算密集型服务，不能。如果要在一个8核的机器上压缩100个1G的文本文件，每个core的处理能力为200MB/s，那么“每次起8个进程，一个进程压缩一个文件”与“只启动一个进程（8个线程并发压缩一个文件）”，这两种方式总耗时相当，但是第二种方式能较快的拿到第一个压缩完的文件。

实现方案：

一、循环式/迭代式服务器实现

特点：

每处理完一个请求就关闭连接（短连接），循环式服务器只能使用短连接 （使用长连接不能及时 响应多客户端请求）。此类服务器为单线程应用程序，不能充分利用多核CPU性能。

二、并发式（concurrent）服务器

特点：

1、one connection per process/one connection per thread  一个进程/线程 一个连接 可以处理多个客户端请求

2、适合执行时间比较长的服务

三、预先创建线程/进程 prefork or pre threaded

特点：

1、预先创建若干个子进程，在循环中创建连接。子进程负责与客户端连接。

2、与并发服务器相比，减少了创建线程/进程的开销，提高响应速度

3、但需要解决：客户端连接过来，多个进程都处于accept状态，但只有一个进程返回值正确，其他都失败----惊群

四、反应式（reactive）服务器（reactor模式）

特点：

1、并发处理多个请求。实际上是在一个线程中完成。无法充分利用多核CPU 。

2、不适合执行时间比较长的服务，为了让客户端感觉是在“并发”处理而不是“循环”处理，每个请求必须在相对较短时间内执行。

3、客户端请求过来，首先将监听套接字加入，关注它的可读事件，有可读事件时，acceptor接受连接，接受连接后，返回已连接套接字，加入reactor中，由dispatch分派事件，-->读取-解包-计算-打包-发送。 所有处理都是单线程轮询，在一个线程中完成，不能充分利用多核CPU

五、reactor + thread per request

在方案4基础上，每个轮询过来创建一个线程，这样就可以充分利用多CPU性能。

六、reactor + worker thread

每个连接在一个工作中的线程完成     ---能够充分利用多CPU。但是没有方案2并发式服务器效率高，因为多了reactor事件循环。

七、reactor + thread pool

针对第5种模式reactor + thread per request的改进--能适应密集计算

这里线程池大小的选择：

如果池中执行任务时，密集计算所占时间比重为P（0

假设C=8，P=1.0，线程池的任务完全密集计算，只要8个活动线程就能让CPU饱和

假设C=8，P=0.5，线程池的任务有一半是计算，一半是IO，那么T=16，也就是16个“50%繁忙的线程”能让8个CPU忙个不停。

（当P < 0.2时这个公式不再适合）

八、multiple reactors(能适应更大的突发IO) 

特点：

1、reactors in threads(one loop per thread)   事件循环Event Loop 。

2、reactors in processes 每个reactor都是一个进程或者线程。也可以看做一个线程池，线程池数目根据千兆网卡个数确定

3、（轮叫方式round robin）mainReactor将监听套接字加入，每当客户端连接到来，监听套接字产生可读事件，acceptor返回已连接套接字，将已连接套接字加入subReactor中，用其处理客户端连接 再来一个连接，重新分配一个subReactor ，这些连接均匀分配到这些reactor中，每个连接只能在一个reactor线程中处理，一个Reactor一般可以适应一个千兆网口。

九、multiple reactors+thread pool （one loop per thread + threadpool ）应对突发IO与密集计算

特点：

1、两个线程池：一个IO线程池、一个处理线程池

2、多个subReactor共享一个线程池 每个subreactor把处理耗时操作放至线程池中处理

十、proactor服务器（proactor模式，基于异步I/O）==》前面的服务器全是同步IO 。

理论上proactor比reactor效率要高一些 。

特点：

1、异步IO能够让IO操作与计算重叠。充分利用了硬件的DMA特性-直接存储访问，不需要CPU干预 。

2、linux异步IO实现方式：     

        glibc aio（aio_*），有bug     

        kernel native aio （io_*）,也不完美。目前仅支持O_DIRECT方式对磁盘读写，跳过系统缓存，有自己实现缓存，难度不小。 。

3、boost asio实现的proactor，实际上不是真正意义上的异步IO，底层是用epoll来实现的，模拟异步IO的

4、异步IO与同步IO的非阻塞模式的区别：异步IO是不阻塞的，同步IO的非阻塞模式 设置描述符属性：O_NONBLOCK，调用read函数来接收，（如果数据没有准备好，立刻返回，不阻塞），需要一直read -- 》  会处于忙等待状态。

5、异步IO与IO复用区别： IO复用仅仅能够得到通知--内核中有数据了，得到通知后，数据仍然在内核缓冲区中，IO并没有完成，没有到用户空间中，仍然需要调用read函数将数据拉到应用程序缓冲区中。