nodejs mysql分布式_Node.js:浅析高并发与分布式集群
Node特性:高并发在解释node为什么能够做到高并发之前,不妨先了解一下node的其他几个特性:单线程我们先来明确一个概念,即:node是单线程的,这一点与JavaScript在浏览器中的特性相同,并且在node中JavaScript主线程与其他线程(例如I/O线程)是无法共享状态的。单线程的好处就是:无需像多线程那样去关注线程之间的状态同步问题没有线程切换所带来的开销没有死锁存在当然单线程也有
Node特性:高并发
在解释node为什么能够做到高并发之前,不妨先了解一下node的其他几个特性:
单线程
我们先来明确一个概念,即:node是单线程的,这一点与JavaScript在浏览器中的特性相同,并且在node中JavaScript主线程与其他线程(例如I/O线程)是无法共享状态的。
单线程的好处就是:无需像多线程那样去关注线程之间的状态同步问题
没有线程切换所带来的开销
没有死锁存在
当然单线程也有许多坏处:无法充分利用多核CPU
大量计算占用CPU会导致应用阻塞(即不适用CPU密集型)
错误会引起整个应用的退出
不过在今天看来,这些坏处都已经不再是问题或者得到了适当的解决:
(1) 创建进程 or 细分实例关于第一个问题,最直白解决方案就是使用child_process核心模块或者cluster:child_process 和 net 组合应用。我们可以通过在一台多核服务器上创建多个进程(通常使用fork操作)来充分利用每个核心,不过要处理好进程间通信问题。
另一个方案是,我们可以将物理机器划分为多台单核的虚拟机,并通过pm2等工具,管理多台虚拟机形成一个集群架构,高效运行所需服务。至于每台机器间的通信(状态同步)我这里先按下不表,在下文的Node分布式架构中再做详细说明。
(2) 时间片轮转关于第二点,我跟小伙伴讨论过后认为可以通过时间片轮转方式,在单线程上模拟多线程,适当减少应用阻塞的感觉(虽然这种方法不会真的像多线程那样节约时间)
(3) 负载均衡、坏点监控/隔离至于第三点,我跟小伙伴们也讨论过,认为主要的痛点就在于node不同于JAVA,它所实现的逻辑是以异步为主的。这就导致了node无法像JAVA一样方便地使用 try/catch 来来捕获并绕过错误,因为无法确定异步任务会何时传回异常。
而在单线程环境下,绕不过错误就意味着导致应用退出,重启恢复的间隙会导致服务中断,这是我们不愿意看到的。
当然,在服务器资源丰富的当下,我们可以通过 pm2 或 nginx 这些工具,动态的判断服务状态。在服务出错时隔离坏点服务器,将请求转发到正常服务器上,并重启坏点服务器以继续提供服务。这也是Node分布式架构的一部分。
异步I/O
你可能会问,既然node是单线程的,事件全部在一个线程上处理,那不是应该效率很低、与高并发相悖吗?
恰恰相反,node的性能很高。原因之一就是node具有异步I/O特性,每当有I/O请求发生时,node会提供给该请求一个I/O线程。然后node就不管这个I/O的操作过程了,而是继续执行主线程上的事件,只需要在该请求返回回调时在处理即可。也就是node省去了许多等待请求的时间。
这也是node支持高并发的重要原因之一
实际上不光是I/O操作,node的绝大多数操作都是以这种异步的方式进行的。它就像是一个组织者,无需事必躬亲,只需要告诉成员们如何正确的进行操作并接受反馈、处理关键步骤,就能使得整个团队高效运行。
事务驱动
你可能又要问了,node怎么知道请求返回了回调,又应该何时去处理这些回调呢?
答案就是node的另一特性:事务驱动,即主线程通过event loop事件循环触发的方式来运行程序
这是node支持高并发的另一重要原因
图解node环境下的Event loop:
poll阶段:
当进入到poll阶段,并且没有timers被调用的时候,会发生下面的情况:
(1)如果poll队列不为空:Event Loop 将同步的执行poll queue里的callback(新的I/O事件),直到queue为空或者执行的callback到达上线。
(2)如果poll队列为空:如果脚本调用了setImmediate(), Event Loop将会结束poll阶段并且进入到check阶段执行setImmediate()的回调。
如果脚本没有setImmediate()调用,Event Loop将会等待回调(新的I/O事件)被添加到队列中,然后立即执行它们。
当进入到poll阶段,并且调用了timers的话,会发生下面的情况:一旦poll queue是空的话,Event Loop会检查是否timers, 如果有1个或多个timers时间已经到达,Event Loop将会回到timer阶段并执行那些timer的callback(即进入到下一次tick)。
优先级:
根据上面的图,我们不难得出:Next Tick Queue > MicroTask Queue
那么setTimeout、setInterval(下文中以setTimeout指代两者)和setImmediate谁快呢?答案是:不确定
单单从执行图上看,如果两者都是在main module里定义的,那么:setTimeout > setImmediate
但是有两个条件制约了这一结论:event loop初始化需要一定时间
setTimeout有最小毫秒数(一般认为最少1ms)
所以当 event loop准备时间 > setTimeout毫秒数时,进入timers检查时已有setTimeout的任务,故timeout先输出。反之则immediate先输出。
如果是在poll阶段定义的setTimeout和setImmediate,那么immediate先于timeout输出。原因是在poll阶段,会先进入check阶段再进入timers阶段。例如:
const fs = require('fs');
fs.readFile('./test.txt', 'utf8', (err, data) => {
setTimeout( () => {
console.log('setTimeout');
}, 0);
setImmediate( () => {
console.log('setImmediate');
})
})
/**
*
* console:
* > setImmediate
* > setTimeout
*
**/
多说一句:
由于timer需要从红黑树中取出定时器来判断时间是否到了,时间复杂度为O(lg(n)),故如果想立即异步执行一个事件,最好不要用 setTimeout(func, 0)。而是使用 process.nextTick() 来完成。
分布式Node架构
我了解到的Node集群架构主要分为以下几个模块:Nginx(负载均衡、调度) -> Node集群 -> Redis(同步状态)
按我的理解整理了一副图:
当然,这应该是比较理想状态下的架构方式。因为虽然 Redis 的读/写相当快,但这是因为其将数据存储在内存池里,在内存上进行相关操作。
这对于服务器的内存负荷是相当高的,所以通常我们还是会在架构中加入 Mysql,如下图:
先解释一下这幅图:
当用户数据到来时,将数据先写入 Mysql,Node 需要数据时再去 Redis 读取,若没有找到再去 Mysql 里面查询想要的数据,并写入 Redis,下次使用时就可以直接去 Redis 里面查询了。
加入 Mysql 相较于只在 Redis 里读/写的好处有:
(1)避免了短期内无用的数据写入 Redis,占用内存,减轻 Redis 负担
(2)在后期需要对数据进行特定查询、分析的时候(比如分析运营活动用户涨幅),SQL关系查询能提供很大的帮助
当然在应对短时间大流量写入的时候,我们也可以直接将数据写入 Redis,以达到快速存储数据、增加服务器应对流量能力的目的,等流量下去了再单独将数据写入 Mysql。
简单介绍完了大体的架构组成,接下来我们来细看每个部分的细节:
流量接入层
流量接入层所做的就是对所有接受的流量进行处理,提供了以下服务:
(1)流量缓冲
(2)分流和转发
(3)超时检测与用户建立连接超时
读取用户body超时
连接后端超时
读后端响应头超时
写响应超时
与用户长连接超时
(4)集群健康检查/隔离坏点服务器隔离坏点服务器并尝试修复/重启,直到该服务器恢复正常
(5)失败重试机制在请求转发到某集群某机器上,返回失败后,将该请求转发到该集群的别的机器,或者跨集群的机器上进行重试
(6)连接池/会话保持机制对于延迟敏感用户使用连接池机制,减少建立连接的时间
(7)安全防护
(8)数据分析
当转发到各个产品线后就到了负载层工作的时候了:将请求根据情况转发到各地机房
当然,这个平台并不止转发这一个功能,你可以把它理解为一个大型的私有云系统,提供以下服务:文件上传/服务线上部署
线上配置修改
设置定时任务
线上系统监控/日志打印服务
线上实例管理
镜像中心
等等...
Node集群层
这一层主要的工作是:
(1)编写可靠的 Node 代码,为需求提供后端服务
(2)编写高性能查询语句,与 Redis、Mysql 交互,提高查询效率
(3)通过 Redis 同步集群里各个 Node 服务的状态
(4)通过硬件管理平台,管理/监控物理机器的状态、管理IP地址等
(当然这部分我只是粗浅地列列条目,还是需要时间来积累、深入理解)
数据库层
这一层主要的工作是:
(1)创建 Mysql 并设计相关页、表;建立必要的索引、外键,提升查询便利性
(2)部署 redis 并向 Node 层提供相应接口
总结
虽然 Node 的单线程特性给其提供的服务带来了许多问题,但只要我们积极面对这些问题,用合理的方法(如使用 child_process 等模块或构建分布式集群)去解决他们,发挥 Node 的各种优势,就可以享受到它所带来的好处!
待更新:Redis相关特性
sql查询性能指标 & 优化策略
Node内存监控 & 内存泄露排查/处理
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