TCP并发模型设计

最新推荐文章于 2025-03-07 14:05:57 发布

庞叶蒙

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分类专栏：其他文章标签：并发模型

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简单总结一下常见的TCP并发模型，主要加强和巩固，能够在各类应用中更好的实践。

其中ise实现了6、7、9、10

Memcached并发模型为9，一个libevnet负责监听，其他处理socket的读写。

GreenSQL并发模型为6，只是做一个代理。

1及时创建型多进程模型

这是传统的 Unix 网络编程并发模型。每当接收到一个客户端的连接后，便立即 fork 出一个新的子进程来为这个客户端服务。服务完毕后，子进程退出。所以，这种模型也叫“process per connection”。这种模型并不适合并发量较大的场合，因为 fork 的开销太大。

2即时创建型多线程并发模型

与即时创建进程相比，创建一个线程的开销要小得多。但因为受到操作系统对单个进程内线程数量的限制，该模型仍然无法适用于大并发量的情况。另外，线程数量太多，会给操作系统带来严重的线程切换开销。

3预创建型多进程并发模型

这是对模型1的优化。为了避免不断地创建和销毁进程，该模型在程序初始化时预先创建好了一批子进程。Apache httpd 使用了这种模型。

4预创建型多线程并发模型

这是对模型2的优化。为了避免不断地创建和销毁线程，该模型在程序初始化时预先创建好了一批线程（线程池、任务调度）。Apache httpd 除了使用模型3外，也使用了这种模型。

5基于select的小规模IO多路复用并发模型

IO多路复用（IOmultiplexing）是为了避免进程或线程阻塞于某个特定的IO系统调用而产生的技术。IO多路复用技术使得单个进程或线程可以同时关注多个socket的变化。Linux 平台下的相应机制有select、poll、epoll，以及更高层的封装libevent；Windows 平台下则有 select、Overlapped IO、IOCP 等。该模型使用 select 作为 IO 多路复用的基础。它之所以被冠以“小规模”，是因为 select 调用能同时关注的 socket 的数量受到操作系统的限制：在 Linux 平台下，这个限制一般是 1024；而在 Windows 平台下则更小，一般是 64。该模型由于受到 select 的限制，所以并不实用，也需根据实践情况考虑问题。

6基于IO多路复用的单线程并发模型

除模型5外，其它模型都不使用select，而是采用伸缩性更佳的Linux::EPoll 或 Windows::IOCP。在这种模型中，只有一个线程，既负责 IO，又负责业务逻辑计算，虽然能同时应对很多并发连接，但较难发挥多核威力。所以，这种模型适合IO密集型应用，而不太适合CPU密集型应用。

7基于IO多路复用的单线程IO加工作线程池并发模型

在这个模型中，一个线程负责IO，另增加一个固定大小的线程池（根据计算密集程度和CPU 数量确定线程池的大小），用于业务逻辑计算。IO 线程接收到客户端的任务后，将任务转移至工作线程池，线程池完成任务后再交由 IO 线程完成最后的对客户端的应答。

这种模型很好地弥补了模型6的不足。既能利用IO多路复用处理并发连接，又能借助工作线程池充分发挥多核优势。在 IO 压力不大时，此模型能很好地满足一般需求。当 IO 压力大时，可考虑采用“多事件循环”方案，见模型9和模型10。

8基于IO多路复用的单事件循环多线程并发模型

在Reactor/Proactor模式中，程序执行点由多路事件选择器（demultiplexor）开始，运行至事件处理器，再返回至多路事件选择器，这个循环称为“事件循环（event loop）”。在具体实现中，这个循环中可能有事件发生，也可能没有。当没有事件发生时，实际上是一个什么也没做的空循环。事件循环的运转要由线程（或进程）来驱动。一个事件循环可以由一个线程来驱动，也可以由多个线程来驱动（事件发生时，多路事件选择器只将事件传递给一个线程）。反过来，一个线程无法同时驱动多个事件循环。

在这种模型中，只使用单个事件循环（即只有一个多路事件选择器），但是有多个线程在驱动。这是典型的Windows::IOCP 的做法。在IOCP中，一般只创建一个“完成端口句柄”，同时会根据CPU核数创建若干个线程。这些线程都参与事件循环（调用 API: GetQueuedCompletionStatus ）。这种模型与Windows::IOCP非常匹配，由于Windows 操作系统内置了高效的异步机制，在即使只有一个“完成端口句柄”的情况下仍能高效地工作，而多线程可以充分利用 CPU 资源。

在多数场合下，这种模型能很好地工作。但由于单事件循环的特性（即单个事件循环中管理着所有并发连接），使得应用层很难区分不同连接的优先级；另外，单个连接上的不同请求会被分配到不同的线程，使得请求处理的顺序性很难得到保证。

9基于IO多路复用的多事件循环多线程并发模型

基于目前操作系统的性能，对于一个网络程序，一个事件循环 1就足以应付千兆以太网的网络IO。在一个程序使用多个事件循环更多的是基于其它方面的考虑，比如利用多事件循环来区别对待不同优先级的连接。这种模型就是这样，它使用了多个事件循环（即多个多路事件选择器），并为每个事件循环只分配一个线程。事件循环数量与线程数量相等，数量大小一般由 CPU 核数确定。

这种模型中，多线程模式保证了对 CPU 资源的充分利用；并发 IO 请求由多个事件循环共同承担，避免突发IO导致单个事件循环的负载饱和；另外，一个连接被分配到一个事件循环后，完全由一个线程管理，保证了连接上请求处理的顺序性。与模型7相比，由于此模型使用了多线程IO，所以在处理突发IO时更能应对自如，虽然少了工作线程池，但小规模计算仍可以在当前IO线程中进行。此外，由于使用了多个事件循环，能够处理连接的优先级，可以将优先级高的连接分配到单独的事件循环中。