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分布式服务框架下，如何做到服务化最佳实践？

2018-3-30 13:00 |来自: 互联网 299 0

摘要: “ 升级服务框架后，性能、可靠性等问题日益明显。服务化之后面临的诸多挑战，怎样分析才能给出实践最优解？在服务化之前，业务通常都是本地API调用，本地方法调用性能损耗较小。服务化之后，服务提供者和消费者之间 ...

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升级服务框架后，性能、可靠性等问题日益明显。服务化之后面临的诸多挑战，怎样分析才能给出实践最优解？

在服务化之前，业务通常都是本地API调用，本地方法调用性能损耗较小。服务化之后，服务提供者和消费者之间采用远程网络通信，增加了额外的性能损耗，业务调用的时延将增大，同时由于网络闪断等原因，分布式调用失败的风险也增大。如果服务框架没有足够的容错能力，业务失败率将会大幅提升。

除了性能、可靠性等问题，跨节点的事务一致性问题、分布式调用带来的故障定界困难、海量微服务运维成本增加等也是分布式服务框架必须要解决的难题。本文将对服务化之后面临的挑战进行分析，并给出解决方案和业务最佳实践。

性能和时延问题

在服务化之前，业务通常都是本地API调用，本地方法调用性能损耗较小。服务化之后，服务提供者和消费者之间采用远程网络通信，增加了额外的性能损耗：

客户端需要对消息进行序列化，主要占用CPU计算资源。
序列化时需要创建二进制数组，耗费JVM堆内存或者堆外内存。
客户端需要将序列化之后的二进制数组发送给服务端，占用网络带宽资源。
服务端读取到码流之后，需要将请求数据报反序列化成请求对象，占用CPU计算资源。
服务端通过反射的方式调用服务提供者实现类，反射本身对性能影响就比较大。
服务端将响应结果序列化，占用CPU计算资源。
服务端将应答码流发送给客户端，占用网络带宽资源。
客户端读取应答码流，反序列化成响应消息，占用CPU资源。

通过分析我们发现，一个简单的本地方法调用，切换成远程服务调用之后，额外增加了很多处理流程，不仅占用大量的系统资源，同时增加了时延。一些复杂的应用会拆分成多个服务，形成服务调用链，如果服务化框架的性能比较差、服务调用时延也比较大，业务服务化之后的性能和时延将无法满足业务的性能需求。

1.1 RPC框架高性能设计

影响RPC框架性能的主要因素有三个。

1） I/O调度模型：同步阻塞I/O（BIO）还是非阻塞I/O（NIO）。

2）序列化框架的选择：文本协议、二进制协议或压缩二进制协议。

3）线程调度模型：串行调度还是并行调度，锁竞争还是无锁化算法。

1. I/O调度模型

在I/O编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

JDK1.5_update10版本使用epoll替代了传统的select/poll，极大地提升了NIO通信的性能，它的工作原理如图1-1所示。

图1-1　非阻塞I/O工作原理

Netty是一个开源的高性能NIO通信框架：它的I/O线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端Channel。由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升I/O线程的运行效率，避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起。另外，由于Netty采用了异步通信模式，一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

Netty被精心设计，提供了很多独特的性能提升特性，使它做到了在各种NIO框架中性能排名第一，它的性能优化措施总结如下：

零拷贝：（1）Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行Socket读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。（2）Netty提供了组合Buffer对象，可以聚合多个ByteBuffer对象，用户可以像操作一个Buffer那样方便地对组合Buffer进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。（3）Netty的文件传输采用了transferTo方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel，避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题。
内存池：随着JVM虚拟机和JIT即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区Buffer，情况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty提供了基于内存池的缓冲区重用机制。性能测试表明，采用内存池的ByteBuf相比于朝生夕灭的ByteBuf，性能高23倍左右（性能数据与使用场景强相关）。
无锁化的串行设计：在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能地避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。为了尽可能提升性能，Netty采用了串行无锁化设计，在I/O线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。
高效的并发编程：volatile的大量、正确使用；CAS和原子类的广泛使用；线程安全容器的使用；通过读写锁提升并发性能。

2. 高性能序列化框架

影响序列化性能的关键因素总结如下。

序列化后的码流大小（网络带宽的占用）。
序列化

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