使用Golang构建一万+每秒处理请求的高性能系统

背景

一谈到golang,大家的第一感觉就是高并发，高性能。但是语言本身的优势是不是，就让程序员觉得编写高性能的处理系统变得轻而易举，水到渠成呢。下面这篇文章给大家的提醒便是，我们只有在充分理解语言本身的特性，并巧妙加以利用的前提下，才能写出高性能、高并发的处理程序，才能为企业节省成本，为客户提供好的服务。

每分钟处理百万请求

​Malwarebytes的首席架构师Marcio Castilho分享了他在公司高速发展过程中，开发高性能数据处理系统的经历。整个过程向我们详细展示了如何不断的优化与提升系统性能的过程，值得我们思考与学习。大佬也不是一下子就给出最优方案的。

首先作者的目标是能够处理来自数百万个端点的大量POST请求，然后将接收到的JSON 请求体，写入Amazon S3，以便map-reduce稍后对这些数据进行操作。这个场景和我们现在的很多互联网系统的场景是一样的。传统的处理方式是，使用队列等中间件，做缓冲，消峰，然后后端一堆worker来异步处理。因为作者也做了两年GO开发了，经过讨论他们决定使用GO来完成这项工作。

第一版代码

下面是Marcio给出的本能第一反应的解决方案，和大家的思路是不是一致的。首先他给出了负载（Payload）还有负载集合（PayloadCollection）的定义，然后他写了一个处理web请求的Handler（payloadHandler）。在payloadHandler里面，由于把负载上传S3比较耗时，所以针对每个负载，启动GO的协程来异步上传。具体的实现，大家可以看下面48-50行贴出的代码。

type PayloadCollection struct {
    windowsVersion  string    `json:"version"`
    Token           string    `json:"token"`
    Payloads        []Payload `json:"data"`
}

type Payload struct {
    // [redacted]
}

func (p *Payload) UploadToS3() error {
    // the storageFolder method ensures that there are no name collision in
    // case we get same timestamp in the key name
    storage_path := fmt.Sprintf("%v/%v", p.storageFolder, time.Now().UnixNano())

    bucket := S3Bucket

    b := new(bytes.Buffer)
    encodeErr := json.NewEncoder(b).Encode(payload)
    if encodeErr != nil {
        return encodeErr
    }

    // Everything we post to the S3 bucket should be marked 'private'
    var acl = s3.Private
    var contentType = "Application/octet-stream"

    return bucket.PutReader(storage_path, b, int64(b.Len()), contentType, acl, s3.Options{})
}

func payloadHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {

    if r.Method != "POST" {
        w.WriteHeader(http.StatusMethodNotAllowed)
        return
    }

    // Read the body into a string for json decoding
    var content = &PayloadCollection{}
    err := json.NewDecoder(io.LimitReader(r.Body, MaxLength)).Decode(&content)
    if err != nil {
        w.Header().Set("Content-Type", "application/json; charset=UTF-8")
        w.WriteHeader(http.StatusBadRequest)
        return
    }

    // Go through each payload and queue items individually to be posted to S3
    for _, payload := range content.Payloads {
        go payload.UploadToS3()   // <----- DON'T DO THIS
    }

    w.WriteHeader(http.StatusOK)
}

那结果怎么样呢？Marcio和他的同事们低估了请求的量级，而且上面的实现方法，又无法控制GO协程的生成数量，这个版本部署到生产后，很快就崩溃了。Marcio毕竟是牛逼架构师，他很快根据问题给出了新的解决方案。

第二版代码

第一个版本的假设是，请求的生命周期都是很短的，不会有长时间的阻塞操作耗费资源。在这个前提下，我们可以根据请求不停的生成GO协程来处理请求。但是事实并非如此，Marcio转变思路，引入队列的思想。创建了Buffered Channel,把请求缓冲起来，然后再通过一个同步处理器从Channel里面把请求取出，上传S3.这是典型的生产者-消费者模型。

处理流程

这个版本的问题是，首先同步处理器的处理能力有限，他的处理能力比不上请求到达的速度。很快Buffered Channel就会满了，然后后续的客户请求都会被阻塞。在Marcio他们部署这个有缺陷的版本几分钟后，延迟率会以固定的速率增加。

系统部署后的延迟

第三版代码

Marcio引入了2层Channel,一个Channel用于缓存请求，是一个全局Channel,本文中就是下面的JobQueue，一个Channel用于控制每个请求队列并发多少个worker.从下面的代码可以看到，每个Worker都有两个关键属性，一个是WorkerPool（这个也是一个全局的变量，即所有的worker的这个属性都指向同一个，worker在创建后，会把自身的JobChannel写入WorkerPool完成注册），一个是JobChannel（用于缓存分配需要本worker处理的请求作业）。web处理请求payloadHandler,会把接收到的请求放到JobQueue后，就结束并返回。

var (
    MaxWorker = os.Getenv("MAX_WORKERS")
    MaxQueue  = os.Getenv("MAX_QUEUE")
)

// Job represents the job to be run
type Job struct {
    Payload Payload
}

// A buffered channel that we can send work requests on.
var JobQueue chan Job

// Worker represents the worker that executes the job
type Worker struct {
    WorkerPool  chan chan Job
    JobChannel  chan Job
    quit        chan bool
}

func NewWorker(workerPool chan chan Job) Worker {
    return Worker{
        WorkerPool: workerPool,
        JobChannel: make(chan Job),
        quit:       make(chan bool)}
}

// Start method starts the run loop for the worker, listening for a quit channel in
// case we need to stop it
func (w Worker) Start() {
    go func() {
        for {
            // register the current worker into the worker queue.
            w.WorkerPool <- w.JobChannel

            select {
            case job := <-w.JobChannel:
                // we have received a work request.
                if err := job.Payload.UploadToS3(); err != nil {
                    log.Errorf("Error uploading to S3: %s", err.Error())
                }

            case <-w.quit:
                // we have received a signal to stop
                return
            }
        }
    }()
}

// Stop signals the worker to stop listening for work requests.
func (w Worker) Stop() {
    go func() {
        w.quit <- true
    }()
}

func payloadHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {

    if r.Method != "POST" {
        w.WriteHeader(http.StatusMethodNotAllowed)
        return
    }

    // Read the body into a string for json decoding
    var content = &PayloadCollection{}
    err := json.NewDecoder(io.LimitReader(r.Body, MaxLength)).Decode(&content)
    if err != nil {
        w.Header().Set("Content-Type", "application/json; charset=UTF-8")
        w.WriteHeader(http.StatusBadRequest)
        return
    }

    // Go through each payload and queue items individually to be posted to S3
    for _, payload := range content.Payloads {

        // let's create a job with the payload
        work := Job{Payload: payload}

        // Push the work onto the queue.
        JobQueue <- work
    }

    w.WriteHeader(http.StatusOK)
}

请求任务都放到JobQueue里面了，如何监听队列，并触发请求呢。这个地方又出现了Dispatcher,我们在另一篇文章中有详细探讨（基于dispatcher模式的事件与数据分发处理器的Go语言实现：
https://www.toutiao.com/article/7186518439215841827/）。在系统启动的时候，我们会通过NewDispatcher生成Dispatcher，并调用它的Run方法。

type Dispatcher struct {
    // A pool of workers channels that are registered with the dispatcher
    WorkerPool chan chan Job
}

func NewDispatcher(maxWorkers int) *Dispatcher {
    pool := make(chan chan Job, maxWorkers)
    return &Dispatcher{WorkerPool: pool}
}

func (d *Dispatcher) Run() {
    // starting n number of workers
    for i := 0; i < d.maxWorkers; i++ {
        worker := NewWorker(d.pool)
        worker.Start()
    }

    go d.dispatch()
}

func (d *Dispatcher) dispatch() {
    for {
        select {
        case job := <-JobQueue:
            // a job request has been received
            go func(job Job) {
                // try to obtain a worker job channel that is available.
                // this will block until a worker is idle
                jobChannel := <-d.WorkerPool

                // dispatch the job to the worker job channel
                jobChannel <- job
            }(job)
        }
    }
}

Dispatcher与Worker的关系如下图所示：

第三方案整体流程

1.客户请求到Handler。

2.Handler把请求作业写入JobQueue。

3.Dispatcher的dispatcher方法，从全局JobQueue中读取Job。

4.Dispatcher的dispatcher方法同时也从WorkerPool中读取JobChannel(属于某一个Worker,即每一个Worker都有一个JobChannel)。

5.Dispatcher把获得的Job写入JobChannel,即分配某个Worker。

6.Worker从自己的JobChannel中获取作业并执行。执行完成后，空闲后，把自己的JobChannel再次写入WorkerPool等待分配。

这样实现后，效果明显，同时需要的机器数量大幅降低了，从100台降低到20台。

第三方案效果

部署机器变化

这里的两层，一层是全局JobQueue,缓存任务。第二个是每个Worker都有自己的执行队列，一台机器可以创建多个Worker。这样就提升了处理能力。

方案对比

参考资料：

http://marcio.io/2015/07/handling-1-million-requests-per-minute-with-golang/。

https://Github.com/ReGYChang/zero/blob/main/pkg/utils/worker_pool.go。