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三高架构

互联网三高架构:高并发、高性能、高可用技术

潘福龙

(石家庄铁道大学,河北省石家庄市,信息科学与技术学院)

摘要:互联网三高架构:高并发、高性能、高可用,简称三高,本文介绍三高的概念和如何解决三高问题,并举例进一步说明。

关键词:三高架构;高并发;高性能;高可用

1  互联网三高的基本概念

互联网三高架构是在设计互联网系统时,要满足高并发,高性能,高可用三个特点。

2  高并发  

2.1 高并发简介

高并发(High Concurrency)是互联网分布式系统架构设计中必须考虑的因素之一,它通常是指,通过设计保证系统能够同时并行处理很多请求。 高并发相关常用的一些指标有响应时间(Response Time),吞吐量,每秒查询率QPS(Query Per Second),并发用户数等。

响应时间:系统对请求做出响应的时间。例如系统处理一个HTTP请求需要200ms,这个200ms就是系统的响应时间。

吞吐量:单位时间内处理的请求数量。

QPS:每秒响应请求数。在互联网领域,这个指标和吞吐量区分的没有这么明显。

并发用户数:同时承载正常使用系统功能的用户数量。例如一个即时通讯系统,同时在线量一定程度上代表了系统的并发用户数

2.2 如何提高并发能力

垂直扩展(Scale Up):增强单机硬件性能(优先):例如:增加CPU核数如32核,升级更好的网卡如万兆,升级更好的硬盘如SSD,扩充硬盘容量如2T,扩充系统内存如128G。

提升单机架构性能:例如:使用Cache来减少IO次数,使用异步来增加单服务吞吐量,使用无锁数据结构来减少响应时间。

总结:管是提升单机硬件能,还是提升单机架构性能,都有一个致命的不足:单机性能总是有极限的。所以互联网分布式架构设计高并发终极解决方案还是水平扩展。

水平扩展(Scale Out):只要增加服务器数量,就能线性扩充系统性能。水平扩展对系统架构设计是有要求的,难点在于:如何在架构各层进行可水平扩展的设计。

3 高性能

3.1

高性能简介

简单的说,高性能(High Performance)就是指程序处理速度快,所占内存少,cpu占用率低。

高并发和高性能是紧密相关的,提高应用的性能,是肯定可以提高系统的并发能力的。

应用性能优化的时候,对于计算密集型和IO密集型还是有很大差别,需要分开来考虑。

增加服务器资源(CPU、内存、服务器数量),绝大部分时候是可以提高应用的并发能力和性能 (前提是应用能够支持多任务并行计算,多服务器分布式计算才行),但也是要避免其中的一些问题,才可以更好的更有效率的利用服务器资源。

3.2 提高高性能的注意事项

避免因为IO阻塞让CPU闲置,导致CPU的浪费。

避免多线程间增加锁来保证同步,导致并行系统串行化。

避免创建、销毁、维护太多进程、线程,导致操作系统浪费资源在调度上。

避免分布式系统中多服务器的关联,比如:依赖同一个mysql,程序逻辑中使用分布式锁,导致瓶颈在mysql,分布式又变成串行化运算。

4 高可用

4.1 高可用简介

   高可用性(High Availability)通常来描述一个系统经过专门的设计,从而减少停工时间,而保持其服务的高度可用性(一直都能用)

4.2 高可用注意事项

避免单点:使用单个服务器,一旦该服务器意外宕机,将导致服务不可用

使用“集群”,一台服务器挂了,还有其他后备服务器能够顶上

5 举例:Redis的主从复制

5.1应用场景

电子商务网站上的商品,一般都是一次上传,无数次浏览的,说专业点也就是”多读少写”。

5.2 实现原理

    一个Redis服务可以有多个该服务的复制品,这个Redis服务称为Master,其它复制称为Slaves。

如图中所示,我们将一台Redis服务器作主库(Matser),其他三台作为从库(Slave),主库只负责写数据,每次有数据更新都将更新的数据同步到它所有的从库,而从库只负责读数据。这样一来,就有了两个好处:读写分离:不仅可以提高服务器的负载能力,并且可以根据读请求的规模自由增加或者减少从库的数量。数据被复制成了了好几份,就算有一台机器出现故障,也可以使用其他机器的数据快速恢复。

    注意事项:在Redis主从模式中,一台主库可以拥有多个从库,但是一个从库只能隶属于一个主库。