C10K 问题引发的技术变革

C10K 问题

服务器应用领域很古老很出名的一个问题，大意是说单台服务器要同时支持并发 10K 量级的连接，这些连接可能是保持存活状态的。

解决这一问题，主要思路有两个：一个是对于每个连接处理分配一个独立的进程/线程；另一个思路是用同一进程/线程来同时处理若干连接。

每个进程/线程处理一个连接

这一思路最为直接。但是由于申请进程/线程会占用相当可观的系统资源，同时对于多进程/线程的管理会对系统造成压力，因此这种方案不具备良好的可扩展性。

因此，这一思路在服务器资源还没有富裕到足够程度的时候，是不可行的；即便资源足够富裕，效率也不够高。

问题：资源占用过多，可扩展性差。

每个进程/线程同时处理多个连接

传统思路

最简单的方法是循环挨个处理各个连接，每个连接对应一个 socket，当所有 socket 都有数据的时候，这种方法是可行的。

但是当应用读取某个 socket 的文件数据不 ready 的时候，整个应用会阻塞在这里等待该文件句柄，即使别的文件句柄 ready，也无法往下处理。

思路：直接循环处理多个连接。

问题：任一文件句柄的不成功会阻塞住整个应用。

select

要解决上面阻塞的问题，思路很简单，如果我在读取文件句柄之前，先查下它的状态，ready 了就进行处理，不 ready 就不进行处理，这不就解决了这个问题了嘛？

于是有了 select 方案。用一个 fd_set 结构体来告诉内核同时监控多个文件句柄，当其中有文件句柄的状态发生指定变化（例如某句柄由不可用变为可用）或超时，则调用返回。之后应用可以使用 FD_ISSET 来逐个查看是哪个文件句柄的状态发生了变化。

这样做，小规模的连接问题不大，但当连接数很多（文件句柄个数很多）的时候，逐个检查状态就很慢了。因此，select 往往存在管理的句柄上限（FD_SETSIZE）。同时，在使用上，因为只有一个字段记录关注和发生事件，每次调用之前要重新初始化 fd_set 结构体。

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

思路：有连接请求抵达了再检查处理。

问题：句柄上限+重复初始化+逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

poll

poll 主要解决 select 的前两个问题：通过一个 pollfd 数组向内核传递需要关注的事件消除文件句柄上限，同时使用不同字段分别标注关注事件和发生事件，来避免重复初始化。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

思路：设计新的数据结构提供使用效率。

问题：逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

epoll

既然逐个排查所有文件句柄状态效率不高，很自然的，如果调用返回的时候只给应用提供发生了状态变化（很可能是数据 ready）的文件句柄，进行排查的效率不就高多了么。

epoll 采用了这种设计，适用于大规模的应用场景。

实验表明，当文件句柄数目超过 10 之后，epoll 性能将优于 select 和 poll；当文件句柄数目达到 10K 的时候，epoll 已经超过 select 和 poll 两个数量级。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

思路：只返回状态变化的文件句柄。

问题：依赖特定平台（Linux）。

libevent

跨平台，封装底层平台的调用，提供统一的 API，但底层在不同平台上自动选择合适的调用。

C10K 到 C10M

随着技术的演进，epoll 已经可以较好的处理 C10K 问题，但是如果要进一步的扩展，例如支持 10M 规模的并发连接，原有的技术就无能为力了。

那么，新的瓶颈在哪里呢？

从前面的演化过程中，我们可以看到，根本的思路是要高效的去阻塞，让 CPU 可以干核心的任务。

当连接很多时，首先需要大量的进程/线程来做事。同时系统中的应用进程/线程们可能大量的都处于 ready 状态，需要系统去不断的进行快速切换，而我们知道系统上下文的切换是有代价的。虽然现在 Linux 系统的调度算法已经设计的很高效了，但对于 10M 这样大规模的场景仍然力有不足。

所以我们面临的瓶颈有两个，一个是进程/线程作为处理单元还是太厚重了；另一个是系统调度的代价太高了。

很自然地，我们会想到，如果有一种更轻量级的进程/线程作为处理单元，而且它们的调度可以做到很快（最好不需要锁），那就完美了。

这样的技术现在在某些语言中已经有了一些实现，它们就是 coroutine（协程），或协作式例程。具体的，Python、Lua 语言中的 coroutine（协程）模型，Go 语言中的 goroutine（Go 程）模型，都是类似的一个概念。实际上，多种语言（甚至 C 语言）都可以实现类似的模型。

它们在实现上都是试图用一组少量的线程来实现多个任务，一旦某个任务阻塞，则可能用同一线程继续运行其他任务，避免大量上下文的切换。每个协程所独占的系统资源往往只有栈部分。而且，各个协程之间的切换，往往是用户通过代码来显式指定的（跟各种 callback 类似），不需要内核参与，可以很方便的实现异步。