如何构建高性能服务器（以Nginx为例）

方法论

软件层面

增大CPU利用率

• 使用全部CPU, worker进程数等于CPU

• 进程间不做无用的切换

• 繁忙时不主动让出CPU

• worker进程之间不争抢CPU

• CPU切换需要5us，如果大量进程需要切换，则CPU会浪费大量的时间切换，做无用功

• worker进程绑定CPU

  pidstat -w可以查看某个进程的切换次数

• 不被其他进程抢占资源

• 提高进程优先级，获得更大的CPU时间片

• 减少其他进程

• 减少惊群

  场景：多个worker进程accept同一个端口时

  • 默认accept_mutex on

    多个worker进程争抢锁获得连接，同时只有一个worker获得连接

  • accept_mutex off

    一个连接请求唤醒所有worker进程，同时只有一个worker获得连接，存在惊群问题，当worker进程数不多时，影响不大，少了争锁，高并发时可以提高系统响应能力

  • SO_REUSEPORT

    内核3.9+处理大并发连接新特性，开启后，连接通过内核分配worker进程，性能最好

• 提高CPU缓存命中率

  绑定worker到指定CPU: worker_cpu_affinity cpumask...

增大内存利用率

• 使用tcmalloc

  减少内存碎片

  并发能力高于glibc，并发数越多，性能越能体现（小内存分配）

  google-perftools/.../tcmalloc.html

  需要手动编译到nginx

增大IO利用率

• 对比

  机械硬盘

  • 价格低
  • 存储量大
  • BPS大，适合顺序读写
  • IOPS小，不适合随机读写
  • 寿命长

  固态应胖

  • 价格高
  • 存储量小
  • BPS大
  • IOPS大
  • 写寿命短

• 优化读取

  • sendfile零拷贝

    文件直接从内核态的文件到socket的传递

    location /video/{
    
    	sendfile on;
    
    	aio on;
    
    	directio 8m;
    
    }
    
    

  • gzip_static

    提前压缩文件，加快gzip报文的返回

  • 内存盘/SSD盘

• 减少写入

  • empty_gif

    使用返回一张1*1的空白图片，以减少http的返回报文长度

  • AIO

    在磁盘读写时，进程可以处理其他事情

    aio on|off|threads=[pool]

  • 直接IO，减少一次缓存的读写

    directio size|off 超过size则使用直接io，适合大文件

  • 增大error_log级别

  • error.log输出到内存

    error_log memory: 32m debug

    日志在32m的内存进行循环输出，只能看到32m的调试日志，可以提高性能

  • 关闭access_log

  • 压缩access_log

    access_log path [format] [gzip]

  • 是否开启proxy buffering

  • syslog替代本地io

    使用UDP写入代替io写入，提高性能

• 线程池thread pool

  当某些io会阻塞时，使用线程池

增大网络宽带利用率

• syn重试次数

  net.ipv4.tcp_syn_retries = 6

• 本地端口可用范围

  net.ipv4.ip_local_port_range=32768 60999

  可以放大

• 连接超时

  proxy_connect_timeout

• 接收连接最大个数(syn未完成握手)

  net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 262144

  可以适当放大

• 已完成握手

  net.core.somaxconn:系统最大backlog队列长度

• 超出队列可以接收报文直接回RST

  net.ipv4.tcp_abort_on_overflow

• 未被内核处理的报文队列长度

  net.core.netdev_max_backlog

• syn/ack重试次数

  net.ipv4.tcp_synack_retries

• 处理syn攻击

  net.ipv4.tcp_syncookies=1

  当syn队列满后，新的syn不进入队列，计算出cookie返回客户端，客户端携带cookie重新连接，服务器验证cookie，通过则建立连接。回导致TCP可选功能失效，例如扩充窗口/时间戳等

• 操作系统最大句柄

  fs.file-max: 操作系统可以使用最大句柄数

  使用fs.file-nr可以查看当前已分配/正使用/上限

• 用户最大句柄数

  /etc/security/limits.conf

  root soft nofile 63535

  root har nofile 65535

• 进程限制最大句柄数

  worker_rlimit_nofile number

• 进程最大连接数

  worker_connections number

• Tcp Fast Open

  当TCP再次连接时，通过携带cookie，减少一次syn/ack的rtt时间，达到快速建立TCP连接的目的

net.ipv4.tcp_fastopen 0|1|2|3

listen address [:port] [fastopen=number];

fastopen=number为了防止带数据的syn攻击，限制最大长度，指定TFO连接队列的最大长度

• TCP缓冲区

  net.ipv4.tcp_rmen = 4096 87380 6291456

  net.ipv4.tcp_wmen = 4096 87380 6291456

  net.ipv4.tcp_men = 1541646 2055528 3083292

  net.ipv4.tcp_moderate_rcvbuf=1开启自动调节缓存模式

  listen address [:port] [recvbuf=size] [sndbuf=size]

  net.ipv4.tcp_adv_win_scale = 1

  应用缓存 = buffer / (2^tcp_adv_win_scale)

  接收窗口 = buffer - buffer/(2^tcp_adv_win_scale)

  BDP = 带宽* RTT/2

  buffer=BDP

• Nagle算法

  网络中只存在一个未被确认的小报文ACK

  目的：避免一个连接上存在大量的小报文，提高网络利用率

  吞吐量优先：启用Nagle tcp_nodelay off

  低延时优先：禁用Nagle tcp_nodelay on

• 拥塞窗口

  实际流量=拥塞窗口和接收窗口的最小值

• 慢启动

  指数扩展拥塞窗口cwnd = cwnd*2

• 拥塞避免

  窗口大于threshold线性增大

• 拥塞发生

  发生丢包，

  RTO超时，threshold = cwnd/2, cwnd=1

  Fast Retransmit: cwnd=cwnd/2, threshold=cwnd

• 快速恢复

  当Fast Retransmit出现时，cwnd调整为threshold+3*MSS

• 优化慢启动

  增大初始cwnd=10

• TCP keep-alive

  开启keepalive可以探测到失去连接的socket，并即时关闭，节省系统资源

  net.ipv4.tcp_keepalive_time = 7200

  net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 75

  net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 9

• timewait

  net.ipv4.tcp_orphan_retries = 0

  net.ipv4.tcp_fin_timeout = 60

  net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 262144 最大timewait连接数，超出直接关闭连接

• lingering_close延迟关闭

  当接收缓冲依然接收到客户端的内容，服务器如果马上发送RST关闭连接，会导致客户端由于接收到RST而忽略http response

  lingering_close off|on|always

  reset_timedout_connection on|off; 当读写超时生效依法连接关闭，通过发送RST马上关闭连接，以释放资源

• TLS/SLL优化握手

  ssl_session_cache

• TLS/SSL会话票证tickets

  Nginx将会话session中的信息作为tickets加密发送给客户端，当客户端再次建立连接时带上tickets，Nignx验证复用session

  优点可以减少对称加解密的次数，提高性能

  缺点降低安全性，需要经常更换tickets密钥

  ssl_seesion_tickets on|off

  ssl_session_ticket_key file

• 使用HTTP长连接

  keepalive_request number;

• gzip压缩

  提高网络传输效率

  gzip on|off

• 使用http2

统计函数调用统计

google-perltool

pprof --text|pdf

goodle_perftools_profiles file

硬件

• 网卡：万兆网卡，例如10G/25G/40G
• 磁盘：固态硬盘，关注IOPS/BPS指标
• CPU：更快的主频，更大的缓存，更优的架构
• 内存：更快的访问速度

DNS