使用.NET Core搭建分散式音頻效果處理服務（四）選擇垂直擴展還是水平擴展？

来源:https://www.cnblogs.com/SteveLee/archive/2018/08/14/9477780.html
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眾所周知垂直擴展是提升單機的性能的方式，比如提升雙路、四路的CPU運算能力，加大記憶體，更換速度更快的SSD，或者從代碼根本上進行優化和性能提升。水平擴展是提供多台多種伺服器分離單機性能的方式，比如集群，主從，隊列，負載平衡等等。 白話的垂直擴展 現在伺服器都是雲伺服器，單純從單機的硬體性能提升整體性 ...


眾所周知垂直擴展是提升單機的性能的方式，比如提升雙路、四路的CPU運算能力，加大記憶體，更換速度更快的SSD，或者從代碼根本上進行優化和性能提升。水平擴展是提供多台多種伺服器分離單機性能的方式，比如集群，主從，隊列，負載平衡等等。

 

 白話的垂直擴展

現在伺服器都是雲伺服器，單純從單機的硬體性能提升整體性能，可能已經不太適用，而從代碼上，其實還有些功課可以做，即使不多：

  1. 優化多線程協調模式，優化多線程下資源共用問題，以免出現奇怪的運行時錯誤。
  2. 改同步為非同步：此方法提升的是吞吐率，性能並不能提升，不過對於客戶端響應也算是件好事吧。
  3. 使用磁碟預讀模式，極小幅度提升IO性能。
  4. 使用單機任務隊列，強制任務有序進行：此方法在單機上不會提升性能，甚至會減少原本的單機吞吐率，但是卻能保證任務在同一時刻的完整性。

我們先從垂直擴展中壓榨單機的性能，同時還要保證穩定性，甚至穩定性比單機極限性能更加重要，為何？因為多線程（web伺服器都是多線程模型）資源互斥問題，會讓你查找問題的時候抓狂（當然，如果你要訪問的資源只是單個，就另當別論了）。因此，很多時候我們通常會加鎖來避免這類事情發生（鎖的問題和功能我們這裡不討論），雖然犧牲了性能，但卻換來了每次高請求所帶來的穩定性。

其次，我們知道，web伺服器都屬於多線程模型，這樣設計的目的是為了提高該伺服器的整體吞吐量（不同伺服器語言採用不同的線程開闢模式，例如java使用的是系統級的線程），當一個線程正在接近滿負荷的處理當前的任務，緊接著馬上又來一個請求（系統不會因為當前正在運行任務而終止新的請求），那麼將是雪上加霜的，多個任務同時長時間在搶占同一個CPU資源，無疑是對整體影響甚大的。

言歸正傳，我們在單機上面針對這類問題，既要儘可能的減少處理時間，又要絕對保證整體運行期間的穩定性（後期會介紹如何使用熔斷機制提升多台伺服器系統的整體穩定性）。

上一節，我們已經創建了一個同步的介面，下麵我們將這個介面稍作改動，使其成為包含非同步任務方法的介面，整體代碼就不貼上來了，以免影響篇幅

  1. 如果你喜歡手動創建與管理任務，那麼你可以new一個Task<TResult>實例。
  2. 如果你喜歡讓系統為你管理該任務狀態，那麼你可以Task.Factary.StartNew來新建一個實例。

 

 白話的水平擴展

當一條街道上的小區越來越多，用水越來越大，而住戶反應水壓卻越來越小，你是考慮增加主管道通水量大小、還是考慮增加每個小區的增壓泵的功率、還是考慮增加主管道的數量（目前筆者小區就遇到水壓不夠的情況）。

在軟體工程項目中，其實伺服器TPS跟水壓是同一個概念。

  1. 加大主水管道（如同提升CPU、記憶體）始終會有一個極限；
  2. 增加每個小區增壓泵的功率（如同客戶端使用大量的輪詢，可主管道出口就只有那麼點點量）始終要求比得到的多得多；

因此換句話說：

  1. 增加伺服器數量（畢竟伺服器比自來水廠容易建設:-)），提升管道入口的處理能力；
  2. 增加不同伺服器類型，例如隊列伺服器，負載伺服器，緩存伺服器等等中間伺服器，分攤和分離不同功能分到而行，如同主管道的分流閥，節流閥，增壓泵等等；
  3. 增加帶寬（這個是肯定的，提升TPS帶寬肯定也是主要的）；

 

一：點對點——原裝

當然，如果介面已經成為了非同步模式（本質其實是提前返回請求，但並沒有返回請求所處理的結果），那麼還需要一個介面來告訴客戶端處理的結果，客戶端通過該介面的輪詢獲得實時的結果。

在筆者介紹的這個服務中，流程架構如下：

  非常簡單的點對點模式，用戶請求一次，等待伺服器處理響應完成後釋放，所有內容均採用同步方式進行，得到結果是：

 非常簡單的點對點模式，用戶請求一次，等待伺服器處理響應完成後釋放，所有內容均採用同步方式進行，得到結果是：

用戶等待時間 = 伺服器處理時間

如果用戶上傳10秒，而伺服器處理需要4秒，那麼這個等待對於用戶來說，是極為煎熬的。

也許聰明的你會說，在客戶端給個友好的提示，比如讓一個“風火輪”不停的轉動，當處理完成後隱藏掉。的確，這從另一個角度上看確實也行得通（比如成本因素），但我們不討論用戶的視覺和等待等感覺上的東西，只討論從技術上如何讓這個響應時間更快，能快到幾乎讓用戶察覺不到。

 

二：使用並行任務——小幅提升

單機並行模式大家應該都明白，畢竟現在CPU都是多核的了，幹嘛要讓其他CPU閑著呢，不管是JAVA還是C#，目前主流語言都可以完美的執行並行任務（python開多進程其實也算），各種語法請自行Google，既然文章標題是Net，那麼筆者就少量的複製一下C#的代碼。

Parallel.Invoke(() => { },() => { });

 

哇撒，真的很少，就是C#中的一個並行執行的語句而已，自己需要並行執行的代碼放入花括弧中就行，換成流程結構圖如下：

畫的很搓，歡迎拍磚。

筆者採用的CPU是I7-2700K，並行任務狀態確實使用了起來，但減少時間卻只有1秒，很不可思議，或許是筆者的代碼優化不夠好吧（並行原理和理想結果為何有出入請自行Google），所以就不毛遂自薦的貼上來了:-)，但是這個3秒時間我會跟他死磕到底——用戶不能等。

 

三：分離用戶請求和耗時處理——非同步

 當朋友們看到這裡的時候，或許心裡早就想到用非同步的方式來實現C/S的介面請求了，對，但我們還是需要走一下流程，梳理一下思路。請繼續接著看。

非同步其實就是多線程，只是目前由於高級語言的發展，已經將線程的難點給隱藏掉了，在一個請求主線程中，新建一個非同步線程（或任務），分離主線程的長時間處理耗時，將這塊難啃的骨頭交給子線程去做，自己只管輕鬆的執行到return，是的確很舒服哦（筆者也夢想擁有這樣的碼磚方式，o(∩_∩)o 哈哈），new一個線程我們不做介紹，畢竟他的管理模式是純手動的、並且是複雜的，我們只介紹new一個任務來分離主線程之間的關聯。

正如之前提到，微軟巴巴已經將這種模型給封裝好了，只需要在介面處理函數內、將處理模塊塞進Task中即可，不用再去new一個線程、管理這個線程的狀態、什麼時候調度、什麼時候阻塞等等一些較底層的操作。萬事有好必有壞，多線程模型創建是很簡單了，相應的實現細節對於很多入門的朋友就看不懂了。

不過，當一個對外介面（或者內部函數）採用非同步模式，那麼調用端也需要進行輪詢（非同步同步無所謂，看調用如何實現）處理結果，這個模式相比原來常規同步複雜許多，需要建立任務、執行任務、存儲任務狀態和結果等等，不廢話，上圖：

通過將“伺服器處理耗時”進行分離，請求主線程只需要將相應的參數傳遞給子線程（或任務），主線程就直接返回到客戶端，如果忽略子任務之前的邏輯時間複雜度，完全可以達到瞬間返回到客戶端，具體時長根據不同的平臺和架構不同而不同，正如之前國外有人對NET CORE和GO進行過空業務響應對比（具體鏈接得找找），在請求數高於100W（包括併發）和沒有任何邏輯代碼的前提下，直接請求某個介面，NET CORE只比GO慢了近40ms（相同單機）。這樣的性能還是非常看好的。

另外，如果處理時間過長，而且子任務不能及時返回，那將產生越來越多的任務阻塞，畢竟一個CPU是有極限的，並且伴隨著或多或少的運行時錯誤，而這種錯誤是最讓我們程式員頭疼的，因此，這時我們需要加入單機隊列，來限制和防止處理和請求達到瞬時波峰，文章結尾提供一份單機隊列的代碼供大家參考：

實際證明，這樣對於用戶來說，是瞬間的，不用等待的，極大的提升了用戶體驗。不過呢，如果請求數越多，那麼越後進來的請求，等待的時間將越長，對於客戶端輪詢的時間也將變得更長。

輪詢時間 = 請求數(單機隊列數) * 單個處理耗時時間

好像比原來的點對點更糟糕了，實際我們根據這個架構進行擴展，將得到更好的體驗，請繼續接著看。

 

四：讓多台機器一起工作吧——集群

先看張圖：

哇塞，一下子變得這麼複雜，好捉急啊。其實並不難理解，我們來看一看做了哪些變化：

  1. 單機的隊列擴展為了使用伺服器做隊列集群；
  2. 增加調度任務；
  3. 將多個處理服務分配到多台機器上運行；
  4. 單機緩存增加到緩存集群；

其他也就沒什麼花頭了。當請求任務過高，放入隊列中，分離前級請求和後級處理，後級處理伺服器的數量將直接影響整個平臺的非同步處理時間。如果非要對比單機模式，性能是隨處理伺服器的數量增加而提高的。下一節我們將詳細討論這套架構方案。

 

感謝閱讀！

 

(附上單機隊列的實現，僅供參考)

  1 /// <summary>
  2 /// 非同步任務隊列
  3 /// </summary>
  4 public class AsyncTaskQueue : IDisposable
  5 {
  6     private bool _isDisposed;
  7     private readonly ConcurrentQueue<AwaitableTask> _queue = new ConcurrentQueue<AwaitableTask>();
  8     private Thread _thread;
  9     private AutoResetEvent _autoResetEvent;
 10 
 11     /// <summary>
 12     /// 非同步任務隊列
 13     /// </summary>
 14     public AsyncTaskQueue()
 15     {
 16         _autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);
 17         _thread = new Thread(InternalRuning) {IsBackground = true};
 18         _thread.Start();
 19     }
 20 
 21     private bool TryGetNextTask(out AwaitableTask task)
 22     {
 23         task = null;
 24         while (_queue.Count > 0)
 25         {
 26             if (_queue.TryDequeue(out task) && (!AutoCancelPreviousTask || _queue.Count == 0)) return true;
 27             task.Cancel();
 28         }
 29 
 30         return false;
 31     }
 32 
 33     private AwaitableTask PenddingTask(AwaitableTask task, int maxQueueCount = 1000)
 34     {
 35         lock (_queue)
 36         {
 37             if (_queue.Count >= maxQueueCount)
 38             {
 39                 throw new Exception($"超出最大隊列數量，maxQueueCount={maxQueueCount}");
 40             }
 41 
 42             Debug.Assert(task != null);
 43             _queue.Enqueue(task);
 44             _autoResetEvent.Set();
 45         }
 46 
 47         return task;
 48     }
 49 
 50     private void InternalRuning()
 51     {
 52         while (!_isDisposed)
 53         {
 54             if (_queue.Count == 0)
 55             {
 56                 _autoResetEvent.WaitOne();
 57             }
 58 
 59             while (TryGetNextTask(out var task))
 60             {
 61                 if (task.IsCancel) continue;
 62 
 63                 if (UseSingleThread)
 64                 {
 65                     task.RunSynchronously();
 66                 }
 67                 else
 68                 {
 69                     task.Start();
 70                 }
 71             }
 72         }
 73     }
 74 
 75     /// <summary>
 76     /// 是否使用單線程完成任務.
 77     /// </summary>
 78     public bool UseSingleThread { get; set; } = true;
 79 
 80     /// <summary>
 81     /// 自動取消以前的任務。
 82     /// </summary>
 83     public bool AutoCancelPreviousTask { get; set; } = false;
 84 
 85     /// <summary>
 86     /// 執行任務
 87     /// </summary>
 88     /// <param name="action"></param>
 89     /// <param name="maxQueueCount"></param>
 90     /// <returns></returns>
 91     public AwaitableTask Run(Action action, int maxQueueCount = 1000)
 92         => PenddingTask(new AwaitableTask(new Task(action, new CancellationToken(false))), maxQueueCount);
 93 
 94     /// <summary>
 95     /// 執行任務
 96     /// </summary>
 97     /// <typeparam name="TResult"></typeparam>
 98     /// <param name="function"></param>
 99     /// <param name="maxQueueCount"></param>
100     /// <returns></returns>
101     public AwaitableTask<TResult> Run<TResult>(Func<TResult> function, int maxQueueCount = 1000)
102         => (AwaitableTask<TResult>) PenddingTask(new AwaitableTask<TResult>(new Task<TResult>(function)),
103             maxQueueCount);
104 
105 
106     /// <inheritdoc />
107     public void Dispose()
108     {
109         Dispose(true);
110         GC.SuppressFinalize(this);
111     }
112 
113     /// <summary>
114     /// 析構任務隊列
115     /// </summary>
116     ~AsyncTaskQueue() => Dispose(false);
117 
118     private void Dispose(bool disposing)
119     {
120         if (_isDisposed) return;
121         if (disposing)
122         {
123             _autoResetEvent.Dispose();
124         }
125 
126         _thread = null;
127         _autoResetEvent = null;
128         _isDisposed = true;
129     }
130 
131     /// <summary>
132     /// 可等待的任務
133     /// </summary>
134     public class AwaitableTask
135     {
136         private readonly Task _task;
137 
138         /// <summary>
139         /// 初始化可等待的任務。
140         /// </summary>
141         /// <param name="task"></param>
142         public AwaitableTask(Task task) => _task = task;
143 
144         /// <summary>
145         /// 任務的Id
146         /// </summary>
147         public int TaskId => _task.Id;
148 
149         /// <summary>
150         /// 任務是否取消
151         /// </summary>
152         public bool IsCancel { get; private set; }
153 
154         /// <summary>
155         /// 開始任務
156         /// </summary>
157         public void Start() => _task.Start();
158 
159         /// <summary>
160         /// 同步執行開始任務
161         /// </summary>
162         public void RunSynchronously() => _task.RunSynchronously();
163 
164         /// <summary>
165         /// 取消任務
166         /// </summary>
167         public void Cancel() => IsCancel = true;
168 
169         /// <summary>
170         /// 獲取任務等待器
171         /// </summary>
172         /// <returns></returns>
173         public TaskAwaiter GetAwaiter() => new TaskAwaiter(this);
174 
175         /// <summary>Provides an object that waits for the completion of an asynchronous task. </summary>
176         [HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, ExternalThreading = true, Synchronization = true)]
177         public struct TaskAwaiter : INotifyCompletion
178         {
179             private readonly AwaitableTask _task;
180 
181             /// <summary>
182             /// 任務等待器
183             /// </summary>
184             /// <param name="awaitableTask"></param>
185             public TaskAwaiter(AwaitableTask awaitableTask) => _task = awaitableTask;
186 
187             /// <summary>
188             /// 任務是否完成.
189             /// </summary>
190             public bool IsCompleted => _task._task.IsCompleted;
191 
192             /// <inheritdoc />
193             public void OnCompleted(Action continuation)
194             {
195                 var This = this;
196                 _task._task.ContinueWith(t =>
197                 {
198                     if (!This._task.IsCancel) continuation?.Invoke();
199                 });
200             }
201 
202             /// <summary>
203             /// 獲取任務結果
204             /// </summary>
205             public void GetResult() => _task._task.Wait();
206         }
207     }
208 
209     /// <summary>
210     /// 可等待的任務
211     /// </summary>
212     /// <typeparam name="TResult"></typeparam>
213     public class AwaitableTask<TResult> : AwaitableTask
214     {
215         /// <summary>
216         /// 初始化可等待的任務
217         /// </summary>
218         /// <param name="task">需要執行的任務</param>
219         public AwaitableTask(Task<TResult> task) : base(task) => _task = task;
220 
221 
222         private readonly Task<TResult> _task;
223 
224         /// <summary>
225         /// 獲取任務等待器
226         /// </summary>
227         /// <returns></returns>
228         public new TaskAwaiter GetAwaiter() => new TaskAwaiter(this);
229 
230         /// <summary>
231         /// 任務等待器
232         /// </summary>
233         [HostProtection(SecurityAction.LinkDemand, ExternalThreading = true, Synchronization = true)]
234         public new struct TaskAwaiter : INotifyCompletion
235         {
236             private readonly AwaitableTask<TResult> _task;
237 
238             /// <summary>
239             /// 初始化任務等待器
240             /// </summary>
241             /// <param name="awaitableTask"></param>
242             public TaskAwaiter(AwaitableTask<TResult> awaitableTask) => _task = awaitableTask;
243 
244             /// <summary>
245             /// 任務是否已完成
246             /// </summary>
247             public bool IsCompleted => _task._task.IsCompleted;
248 
249             /// <inheritdoc />
250             public void OnCompleted(Action continuation)
251             {
252                 var This = this;
253                 _task._task.ContinueWith(t =>
254                 {
255                     if (!This._task.IsCancel) continuation?.Invoke();
256                 });
257             }
258 
259             /// <summary>
260             /// 獲取任務結果
261             /// </summary>
262             /// <returns></returns>
263             public TResult GetResult() => _task._task.Result;
264         }
265     }
266 }
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