परिचय

I/O रिएक्टर (एकल पिरोया हुआ इवेंट लूप) उच्च-लोड सॉफ़्टवेयर लिखने का एक पैटर्न है, जिसका उपयोग कई लोकप्रिय समाधानों में किया जाता है:

इस लेख में, हम I/O रिएक्टर के अंदर और बाहर देखेंगे और यह कैसे काम करता है, कोड की 200 से कम लाइनों में एक कार्यान्वयन लिखेंगे, और 40 मिलियन अनुरोध/मिनट से अधिक की एक सरल HTTP सर्वर प्रक्रिया बनाएंगे।

प्रस्तावना

यह लेख I/O रिएक्टर की कार्यप्रणाली को समझने में मदद करने के लिए लिखा गया था, और इसलिए इसका उपयोग करते समय जोखिमों को समझें।
लेख को समझने के लिए बुनियादी बातों का ज्ञान आवश्यक है। सी भाषा और नेटवर्क अनुप्रयोग विकास में कुछ अनुभव।
सभी कोड सख्ती से सी भाषा में लिखे गए हैं (सावधानी: लंबी पीडीएफ) C11 मानक के अनुसार लिनक्स के लिए और पर उपलब्ध है GitHub.

यह क्यों करते हैं?

इंटरनेट की बढ़ती लोकप्रियता के साथ, वेब सर्वरों को एक साथ बड़ी संख्या में कनेक्शनों को संभालने की आवश्यकता होने लगी, और इसलिए दो तरीकों की कोशिश की गई: बड़ी संख्या में ओएस थ्रेड्स पर I/O को ब्लॉक करना और I/O को नॉन-ब्लॉक करना। एक ईवेंट अधिसूचना प्रणाली, जिसे "सिस्टम चयनकर्ता" भी कहा जाता है (एपोल/क्यूक्यू/आईओसीपी/आदि)।

पहले दृष्टिकोण में प्रत्येक आने वाले कनेक्शन के लिए एक नया ओएस थ्रेड बनाना शामिल था। इसका नुकसान खराब स्केलेबिलिटी है: ऑपरेटिंग सिस्टम को कई को लागू करना होगा संदर्भ परिवर्तन и सिस्टम कॉल. वे महंगे ऑपरेशन हैं और प्रभावशाली संख्या में कनेक्शन के साथ मुफ्त रैम की कमी हो सकती है।

संशोधित संस्करण पर प्रकाश डाला गया धागों की निश्चित संख्या (थ्रेड पूल), जिससे सिस्टम को निष्पादन को निरस्त करने से रोका जा सकता है, लेकिन साथ ही एक नई समस्या भी पेश की जा सकती है: यदि थ्रेड पूल वर्तमान में लंबे समय तक पढ़ने के संचालन से अवरुद्ध है, तो अन्य सॉकेट जो पहले से ही डेटा प्राप्त करने में सक्षम हैं, वे सक्षम नहीं होंगे ऐसा करो।

दूसरा दृष्टिकोण उपयोग करता है घटना अधिसूचना प्रणाली (सिस्टम चयनकर्ता) ओएस द्वारा प्रदान किया गया। यह आलेख सबसे सामान्य प्रकार के सिस्टम चयनकर्ता पर चर्चा करता है, जो I/O संचालन के लिए तत्परता के बारे में अलर्ट (घटनाओं, सूचनाओं) पर आधारित है, न कि उनके पूरा होने के बारे में सूचनाएं. इसके उपयोग का एक सरल उदाहरण निम्नलिखित ब्लॉक आरेख द्वारा दर्शाया जा सकता है:

इन दृष्टिकोणों के बीच अंतर इस प्रकार है:

I/O परिचालन को अवरुद्ध करना निलंबित उपयोगकर्ता प्रवाह जब तकजब तक ओएस ठीक से न हो जाए विखंडन आने वाली आईपी पैकेट बाइट स्ट्रीम के लिए (टीसीपी, डेटा प्राप्त करना) या बाद में भेजने के लिए आंतरिक लेखन बफ़र्स में पर्याप्त स्थान उपलब्ध नहीं होगा एनआईसी (डेटा भेज रहा है)।
सिस्टम चयनकर्ता अधिक समय तक प्रोग्राम को सूचित करता है कि OS पहले ही डीफ्रैग्मेंटेड आईपी पैकेट (टीसीपी, डेटा रिसेप्शन) या आंतरिक राइट बफ़र्स में पर्याप्त जगह पहले ही उपलब्ध (डेटा भेजना)।

संक्षेप में, प्रत्येक I/O के लिए एक OS थ्रेड आरक्षित करना कंप्यूटिंग शक्ति की बर्बादी है, क्योंकि वास्तव में, थ्रेड उपयोगी कार्य नहीं कर रहे हैं (इसलिए यह शब्द "सॉफ़्टवेयर व्यवधान"). सिस्टम चयनकर्ता इस समस्या को हल करता है, जिससे उपयोगकर्ता प्रोग्राम सीपीयू संसाधनों को अधिक किफायती रूप से उपयोग कर सकता है।

I/O रिएक्टर मॉडल

I/O रिएक्टर सिस्टम चयनकर्ता और उपयोगकर्ता कोड के बीच एक परत के रूप में कार्य करता है। इसके संचालन का सिद्धांत निम्नलिखित ब्लॉक आरेख द्वारा वर्णित है:

मैं आपको याद दिला दूं कि एक इवेंट एक अधिसूचना है कि एक निश्चित सॉकेट एक गैर-अवरुद्ध I/O ऑपरेशन करने में सक्षम है।
इवेंट हैंडलर एक फ़ंक्शन है जिसे I/O रिएक्टर द्वारा किसी इवेंट के प्राप्त होने पर बुलाया जाता है, जो तब एक नॉन-ब्लॉकिंग I/O ऑपरेशन करता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि I/O रिएक्टर परिभाषा के अनुसार एकल-थ्रेडेड है, लेकिन इस अवधारणा को 1 थ्रेड: 1 रिएक्टर के अनुपात में बहु-थ्रेडेड वातावरण में उपयोग करने से कोई नहीं रोक सकता है, जिससे सभी सीपीयू कोर को रीसाइक्लिंग किया जा सकता है।

कार्यान्वयन

हम सार्वजनिक इंटरफ़ेस को एक फ़ाइल में रखेंगे reactor.h, और कार्यान्वयन - में reactor.c. reactor.h इसमें निम्नलिखित घोषणाएँ शामिल होंगी:

रिएक्टर.एच में घोषणाएँ दिखाएँ

typedef struct reactor Reactor;

/*
 * Указатель на функцию, которая будет вызываться I/O реактором при поступлении
 * события от системного селектора.
 */
typedef void (*Callback)(void *arg, int fd, uint32_t events);

/*
 * Возвращает `NULL` в случае ошибки, не-`NULL` указатель на `Reactor` в
 * противном случае.
 */
Reactor *reactor_new(void);

/*
 * Освобождает системный селектор, все зарегистрированные сокеты в данный момент
 * времени и сам I/O реактор.
 *
 * Следующие функции возвращают -1 в случае ошибки, 0 в случае успеха.
 */
int reactor_destroy(Reactor *reactor);

int reactor_register(const Reactor *reactor, int fd, uint32_t interest,
                     Callback callback, void *callback_arg);
int reactor_deregister(const Reactor *reactor, int fd);
int reactor_reregister(const Reactor *reactor, int fd, uint32_t interest,
                       Callback callback, void *callback_arg);

/*
 * Запускает цикл событий с тайм-аутом `timeout`.
 *
 * Эта функция передаст управление вызывающему коду если отведённое время вышло
 * или/и при отсутствии зарегистрированных сокетов.
 */
int reactor_run(const Reactor *reactor, time_t timeout);

I/O रिएक्टर संरचना में शामिल हैं फ़ाइल डिस्क्रिप्टर चयनकर्ता एपोल и हैश टेबल GHashTable, जो प्रत्येक सॉकेट को मैप करता है CallbackData (ईवेंट हैंडलर की संरचना और इसके लिए उपयोगकर्ता तर्क)।

रिएक्टर और कॉलबैकडेटा दिखाएँ

struct reactor {
    int epoll_fd;
    GHashTable *table; // (int, CallbackData)
};

typedef struct {
    Callback callback;
    void *arg;
} CallbackData;

कृपया ध्यान दें कि हमने संभालने की क्षमता सक्षम कर दी है अपूर्ण प्रकार सूचकांक के अनुसार. में reactor.h हम संरचना की घोषणा करते हैं reactorऔर में reactor.c हम इसे परिभाषित करते हैं, जिससे उपयोगकर्ता को इसके फ़ील्ड को स्पष्ट रूप से बदलने से रोका जा सकता है। यह पैटर्न में से एक है डेटा छिपाना, जो संक्षेप में सी शब्दार्थ में फिट बैठता है।

कार्य reactor_register, reactor_deregister и reactor_reregister सिस्टम चयनकर्ता और हैश तालिका में रुचि के सॉकेट और संबंधित ईवेंट हैंडलर की सूची अपडेट करें।

पंजीकरण कार्य दिखाएँ

#define REACTOR_CTL(reactor, op, fd, interest)                                 
    if (epoll_ctl(reactor->epoll_fd, op, fd,                                   
                  &(struct epoll_event){.events = interest,                    
                                        .data = {.fd = fd}}) == -1) {          
        perror("epoll_ctl");                                                   
        return -1;                                                             
    }

int reactor_register(const Reactor *reactor, int fd, uint32_t interest,
                     Callback callback, void *callback_arg) {
    REACTOR_CTL(reactor, EPOLL_CTL_ADD, fd, interest)
    g_hash_table_insert(reactor->table, int_in_heap(fd),
                        callback_data_new(callback, callback_arg));
    return 0;
}

int reactor_deregister(const Reactor *reactor, int fd) {
    REACTOR_CTL(reactor, EPOLL_CTL_DEL, fd, 0)
    g_hash_table_remove(reactor->table, &fd);
    return 0;
}

int reactor_reregister(const Reactor *reactor, int fd, uint32_t interest,
                       Callback callback, void *callback_arg) {
    REACTOR_CTL(reactor, EPOLL_CTL_MOD, fd, interest)
    g_hash_table_insert(reactor->table, int_in_heap(fd),
                        callback_data_new(callback, callback_arg));
    return 0;
}

I/O रिएक्टर द्वारा डिस्क्रिप्टर के साथ घटना को इंटरसेप्ट करने के बाद fd, यह संबंधित ईवेंट हैंडलर को कॉल करता है, जिसे यह पास करता है fd, बिटोवुयू मास्कु उत्पन्न ईवेंट और एक उपयोगकर्ता सूचक void.

रिएक्टर_रन() फ़ंक्शन दिखाएँ

int reactor_run(const Reactor *reactor, time_t timeout) {
    int result;
    struct epoll_event *events;
    if ((events = calloc(MAX_EVENTS, sizeof(*events))) == NULL)
        abort();

    time_t start = time(NULL);

    while (true) {
        time_t passed = time(NULL) - start;
        int nfds =
            epoll_wait(reactor->epoll_fd, events, MAX_EVENTS, timeout - passed);

        switch (nfds) {
        // Ошибка
        case -1:
            perror("epoll_wait");
            result = -1;
            goto cleanup;
        // Время вышло
        case 0:
            result = 0;
            goto cleanup;
        // Успешная операция
        default:
            // Вызвать обработчиков событий
            for (int i = 0; i < nfds; i++) {
                int fd = events[i].data.fd;

                CallbackData *callback =
                    g_hash_table_lookup(reactor->table, &fd);
                callback->callback(callback->arg, fd, events[i].events);
            }
        }
    }

cleanup:
    free(events);
    return result;
}

संक्षेप में, उपयोगकर्ता कोड में फ़ंक्शन कॉल की श्रृंखला निम्नलिखित रूप लेगी:

सिंगल थ्रेडेड सर्वर

उच्च लोड के तहत I/O रिएक्टर का परीक्षण करने के लिए, हम एक सरल HTTP वेब सर्वर लिखेंगे जो एक छवि के साथ किसी भी अनुरोध का जवाब देता है।

HTTP प्रोटोकॉल का एक त्वरित संदर्भ

HTTP - यह प्रोटोकॉल है आवेदन स्तर, मुख्य रूप से सर्वर-ब्राउज़र इंटरैक्शन के लिए उपयोग किया जाता है।

HTTP का उपयोग आसानी से किया जा सकता है परिवहन मसविदा बनाना टीसीपी, निर्दिष्ट प्रारूप में संदेश भेजना और प्राप्त करना विनिर्देश.

अनुरोध प्रारूप

<КОМАНДА> <URI> <ВЕРСИЯ HTTP>CRLF
<ЗАГОЛОВОК 1>CRLF
<ЗАГОЛОВОК 2>CRLF
<ЗАГОЛОВОК N>CRLF CRLF
<ДАННЫЕ>

CRLF दो वर्णों का एक क्रम है: r и n, अनुरोध की पहली पंक्ति, हेडर और डेटा को अलग करना।
<КОМАНДА> - में से एक CONNECT, DELETE, GET, HEAD, OPTIONS, PATCH, POST, PUT, TRACE. ब्राउज़र हमारे सर्वर को एक कमांड भेजेगा GET, जिसका अर्थ है "मुझे फ़ाइल की सामग्री भेजें।"
<URI> - यूनिफॉर्म रिसोर्स पहचानकर्ता. उदाहरण के लिए, यदि यूआरआई = /index.html, फिर क्लाइंट साइट के मुख्य पृष्ठ का अनुरोध करता है।
<ВЕРСИЯ HTTP> - प्रारूप में HTTP प्रोटोकॉल का संस्करण HTTP/X.Y. आज सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला संस्करण है HTTP/1.1.
<ЗАГОЛОВОК N> प्रारूप में एक कुंजी-मूल्य जोड़ी है <КЛЮЧ>: <ЗНАЧЕНИЕ>, आगे के विश्लेषण के लिए सर्वर पर भेजा गया।
<ДАННЫЕ> - ऑपरेशन करने के लिए सर्वर द्वारा आवश्यक डेटा। अक्सर यह सरल होता है JSON या कोई अन्य प्रारूप.

प्रतिक्रिया प्रारूप

<ВЕРСИЯ HTTP> <КОД СТАТУСА> <ОПИСАНИЕ СТАТУСА>CRLF
<ЗАГОЛОВОК 1>CRLF
<ЗАГОЛОВОК 2>CRLF
<ЗАГОЛОВОК N>CRLF CRLF
<ДАННЫЕ>

<КОД СТАТУСА> यह ऑपरेशन के परिणाम को दर्शाने वाली एक संख्या है। हमारा सर्वर हमेशा स्थिति 200 (सफल ऑपरेशन) लौटाएगा।
<ОПИСАНИЕ СТАТУСА> - स्थिति कोड का स्ट्रिंग प्रतिनिधित्व। स्टेटस कोड 200 के लिए यह है OK.
<ЗАГОЛОВОК N> - अनुरोध के समान प्रारूप का हेडर। हम उपाधियाँ लौटा देंगे Content-Length (फ़ाइल आकार) और Content-Type: text/html (वापसी डेटा प्रकार)।
<ДАННЫЕ> - उपयोगकर्ता द्वारा अनुरोधित डेटा। हमारे मामले में, यह छवि का पथ है एचटीएमएल.

फ़ाइल http_server.c (सिंगल थ्रेडेड सर्वर) में फ़ाइल शामिल है common.h, जिसमें निम्नलिखित फ़ंक्शन प्रोटोटाइप शामिल हैं:

Common.h में फ़ंक्शन प्रोटोटाइप दिखाएं

/*
 * Обработчик событий, который вызовется после того, как сокет будет
 * готов принять новое соединение.
 */
static void on_accept(void *arg, int fd, uint32_t events);

/*
 * Обработчик событий, который вызовется после того, как сокет будет
 * готов отправить HTTP ответ.
 */
static void on_send(void *arg, int fd, uint32_t events);

/*
 * Обработчик событий, который вызовется после того, как сокет будет
 * готов принять часть HTTP запроса.
 */
static void on_recv(void *arg, int fd, uint32_t events);

/*
 * Переводит входящее соединение в неблокирующий режим.
 */
static void set_nonblocking(int fd);

/*
 * Печатает переданные аргументы в stderr и выходит из процесса с
 * кодом `EXIT_FAILURE`.
 */
static noreturn void fail(const char *format, ...);

/*
 * Возвращает файловый дескриптор сокета, способного принимать новые
 * TCP соединения.
 */
static int new_server(bool reuse_port);

कार्यात्मक मैक्रो का भी वर्णन किया गया है SAFE_CALL() और फ़ंक्शन परिभाषित है fail(). मैक्रो अभिव्यक्ति के मान की तुलना त्रुटि से करता है, और यदि स्थिति सत्य है, तो फ़ंक्शन को कॉल करता है fail():

#define SAFE_CALL(call, error)                                                 
    do {                                                                       
        if ((call) == error) {                                                   
            fail("%s", #call);                                                 
        }                                                                      
    } while (false)

समारोह fail() पारित तर्कों को टर्मिनल पर प्रिंट करता है (जैसे printf()) और कोड के साथ प्रोग्राम को समाप्त करता है EXIT_FAILURE:

static noreturn void fail(const char *format, ...) {
    va_list args;
    va_start(args, format);
    vfprintf(stderr, format, args);
    va_end(args);
    fprintf(stderr, ": %sn", strerror(errno));
    exit(EXIT_FAILURE);
}

समारोह new_server() सिस्टम कॉल द्वारा बनाए गए "सर्वर" सॉकेट का फ़ाइल डिस्क्रिप्टर लौटाता है socket(), bind() и listen() और आने वाले कनेक्शनों को नॉन-ब्लॉकिंग मोड में स्वीकार करने में सक्षम है।

new_server() फ़ंक्शन दिखाएँ

static int new_server(bool reuse_port) {
    int fd;
    SAFE_CALL((fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM | SOCK_NONBLOCK, IPPROTO_TCP)),
              -1);

    if (reuse_port) {
        SAFE_CALL(
            setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEPORT, &(int){1}, sizeof(int)),
            -1);
    }

    struct sockaddr_in addr = {.sin_family = AF_INET,
                               .sin_port = htons(SERVER_PORT),
                               .sin_addr = {.s_addr = inet_addr(SERVER_IPV4)},
                               .sin_zero = {0}};

    SAFE_CALL(bind(fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)), -1);
    SAFE_CALL(listen(fd, SERVER_BACKLOG), -1);
    return fd;
}

ध्यान दें कि सॉकेट प्रारंभ में ध्वज का उपयोग करके गैर-अवरुद्ध मोड में बनाया गया है SOCK_NONBLOCKताकि समारोह में on_accept() (और पढ़ें) सिस्टम कॉल accept() थ्रेड निष्पादन को नहीं रोका।
अगर reuse_port के बराबर है true, तो यह फ़ंक्शन विकल्प के साथ सॉकेट को कॉन्फ़िगर करेगा SO_REUSEPORT के माध्यम से setsockopt()बहु-थ्रेडेड वातावरण में एक ही पोर्ट का उपयोग करने के लिए (अनुभाग "मल्टी-थ्रेडेड सर्वर" देखें)।

आयोजन प्रबंधकर्ता on_accept() OS द्वारा कोई ईवेंट उत्पन्न करने के बाद कॉल किया जाता है EPOLLIN, इस मामले में इसका मतलब है कि नया कनेक्शन स्वीकार किया जा सकता है। on_accept() एक नया कनेक्शन स्वीकार करता है, इसे नॉन-ब्लॉकिंग मोड पर स्विच करता है और इवेंट हैंडलर के साथ रजिस्टर करता है on_recv() I/O रिएक्टर में.

on_accept() फ़ंक्शन दिखाएं

static void on_accept(void *arg, int fd, uint32_t events) {
    int incoming_conn;
    SAFE_CALL((incoming_conn = accept(fd, NULL, NULL)), -1);
    set_nonblocking(incoming_conn);
    SAFE_CALL(reactor_register(reactor, incoming_conn, EPOLLIN, on_recv,
                               request_buffer_new()),
              -1);
}

आयोजन प्रबंधकर्ता on_recv() OS द्वारा कोई ईवेंट उत्पन्न करने के बाद कॉल किया जाता है EPOLLIN, इस मामले में मतलब है कि कनेक्शन पंजीकृत है on_accept(), डेटा प्राप्त करने के लिए तैयार।

on_recv() HTTP अनुरोध पूरी तरह से प्राप्त होने तक कनेक्शन से डेटा पढ़ता है, फिर यह एक हैंडलर पंजीकृत करता है on_send() HTTP प्रतिक्रिया भेजने के लिए. यदि क्लाइंट कनेक्शन तोड़ देता है, तो सॉकेट को अपंजीकृत कर दिया जाता है और बंद कर दिया जाता है close().

फ़ंक्शन on_recv दिखाएँ()

static void on_recv(void *arg, int fd, uint32_t events) {
    RequestBuffer *buffer = arg;

    // Принимаем входные данные до тех пор, что recv возвратит 0 или ошибку
    ssize_t nread;
    while ((nread = recv(fd, buffer->data + buffer->size,
                         REQUEST_BUFFER_CAPACITY - buffer->size, 0)) > 0)
        buffer->size += nread;

    // Клиент оборвал соединение
    if (nread == 0) {
        SAFE_CALL(reactor_deregister(reactor, fd), -1);
        SAFE_CALL(close(fd), -1);
        request_buffer_destroy(buffer);
        return;
    }

    // read вернул ошибку, отличную от ошибки, при которой вызов заблокирует
    // поток
    if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
        request_buffer_destroy(buffer);
        fail("read");
    }

    // Получен полный HTTP запрос от клиента. Теперь регистрируем обработчика
    // событий для отправки данных
    if (request_buffer_is_complete(buffer)) {
        request_buffer_clear(buffer);
        SAFE_CALL(reactor_reregister(reactor, fd, EPOLLOUT, on_send, buffer),
                  -1);
    }
}

आयोजन प्रबंधकर्ता on_send() OS द्वारा कोई ईवेंट उत्पन्न करने के बाद कॉल किया जाता है EPOLLOUT, जिसका अर्थ है कि कनेक्शन पंजीकृत है on_recv(), डेटा भेजने के लिए तैयार है। यह फ़ंक्शन क्लाइंट को एक छवि के साथ HTML युक्त HTTP प्रतिक्रिया भेजता है और फिर इवेंट हैंडलर को वापस बदल देता है on_recv().

on_send() फ़ंक्शन दिखाएँ

static void on_send(void *arg, int fd, uint32_t events) {
    const char *content = "<img "
                          "src="https://habrastorage.org/webt/oh/wl/23/"
                          "ohwl23va3b-dioerobq_mbx4xaw.jpeg">";
    char response[1024];
    sprintf(response,
            "HTTP/1.1 200 OK" CRLF "Content-Length: %zd" CRLF "Content-Type: "
            "text/html" DOUBLE_CRLF "%s",
            strlen(content), content);

    SAFE_CALL(send(fd, response, strlen(response), 0), -1);
    SAFE_CALL(reactor_reregister(reactor, fd, EPOLLIN, on_recv, arg), -1);
}

और अंत में, फ़ाइल में http_server.c, समारोह में main() हम इसका उपयोग करके एक I/O रिएक्टर बनाते हैं reactor_new(), एक सर्वर सॉकेट बनाएं और इसे पंजीकृत करें, रिएक्टर का उपयोग शुरू करें reactor_run() ठीक एक मिनट के लिए, और फिर हम संसाधन जारी करते हैं और प्रोग्राम से बाहर निकल जाते हैं।

http_server.c दिखाएँ

#include "reactor.h"

static Reactor *reactor;

#include "common.h"

int main(void) {
    SAFE_CALL((reactor = reactor_new()), NULL);
    SAFE_CALL(
        reactor_register(reactor, new_server(false), EPOLLIN, on_accept, NULL),
        -1);
    SAFE_CALL(reactor_run(reactor, SERVER_TIMEOUT_MILLIS), -1);
    SAFE_CALL(reactor_destroy(reactor), -1);
}

आइए देखें कि सब कुछ उम्मीद के मुताबिक काम कर रहा है या नहीं। संकलन (chmod a+x compile.sh && ./compile.sh प्रोजेक्ट रूट में) और स्व-लिखित सर्वर लॉन्च करें, खोलें http://127.0.0.1:18470 ब्राउज़र में देखें और देखें कि हमें क्या उम्मीद थी:

परफॉरमेंस नापना

मेरी कार की विशिष्टताएँ दिखाएँ

$ screenfetch
 MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMmds+.        OS: Mint 19.1 tessa
 MMm----::-://////////////oymNMd+`     Kernel: x86_64 Linux 4.15.0-20-generic
 MMd      /++                -sNMd:    Uptime: 2h 34m
 MMNso/`  dMM    `.::-. .-::.` .hMN:   Packages: 2217
 ddddMMh  dMM   :hNMNMNhNMNMNh: `NMm   Shell: bash 4.4.20
     NMm  dMM  .NMN/-+MMM+-/NMN` dMM   Resolution: 1920x1080
     NMm  dMM  -MMm  `MMM   dMM. dMM   DE: Cinnamon 4.0.10
     NMm  dMM  -MMm  `MMM   dMM. dMM   WM: Muffin
     NMm  dMM  .mmd  `mmm   yMM. dMM   WM Theme: Mint-Y-Dark (Mint-Y)
     NMm  dMM`  ..`   ...   ydm. dMM   GTK Theme: Mint-Y [GTK2/3]
     hMM- +MMd/-------...-:sdds  dMM   Icon Theme: Mint-Y
     -NMm- :hNMNNNmdddddddddy/`  dMM   Font: Noto Sans 9
      -dMNs-``-::::-------.``    dMM   CPU: Intel Core i7-6700 @ 8x 4GHz [52.0°C]
       `/dMNmy+/:-------------:/yMMM   GPU: NV136
          ./ydNMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM   RAM: 2544MiB / 7926MiB
             .MMMMMMMMMMMMMMMMMMM

आइए एकल-थ्रेडेड सर्वर के प्रदर्शन को मापें। आइए दो टर्मिनल खोलें: एक में हम चलेंगे ./http_server, एक अलग तरीके से - कुल्हाड़ी. एक मिनट के बाद, निम्नलिखित आँकड़े दूसरे टर्मिनल में प्रदर्शित होंगे:

$ wrk -c100 -d1m -t8 http://127.0.0.1:18470 -H "Host: 127.0.0.1:18470" -H "Accept-Language: en-US,en;q=0.5" -H "Connection: keep-alive"
Running 1m test @ http://127.0.0.1:18470
  8 threads and 100 connections
  Thread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- Stdev
    Latency   493.52us   76.70us  17.31ms   89.57%
    Req/Sec    24.37k     1.81k   29.34k    68.13%
  11657769 requests in 1.00m, 1.60GB read
Requests/sec: 193974.70
Transfer/sec:     27.19MB

हमारा एकल-थ्रेडेड सर्वर 11 कनेक्शनों से उत्पन्न होने वाले प्रति मिनट 100 मिलियन से अधिक अनुरोधों को संसाधित करने में सक्षम था। बुरा परिणाम नहीं है, लेकिन क्या इसमें सुधार किया जा सकता है?

मल्टीथ्रेडेड सर्वर

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, I/O रिएक्टर को अलग-अलग थ्रेड में बनाया जा सकता है, जिससे सभी सीपीयू कोर का उपयोग किया जा सकता है। आइए इस दृष्टिकोण को व्यवहार में लाएं:

http_server_multithreaded.c दिखाएँ

#include "reactor.h"

static Reactor *reactor;
#pragma omp threadprivate(reactor)

#include "common.h"

int main(void) {
#pragma omp parallel
    {
        SAFE_CALL((reactor = reactor_new()), NULL);
        SAFE_CALL(reactor_register(reactor, new_server(true), EPOLLIN,
                                   on_accept, NULL),
                  -1);
        SAFE_CALL(reactor_run(reactor, SERVER_TIMEOUT_MILLIS), -1);
        SAFE_CALL(reactor_destroy(reactor), -1);
    }
}

अब हर धागा उसका अपना है रिएक्टर:

static Reactor *reactor;
#pragma omp threadprivate(reactor)

कृपया ध्यान दें कि फ़ंक्शन तर्क new_server() कार्य करता है true. इसका मतलब है कि हम सर्वर सॉकेट को विकल्प निर्दिष्ट करते हैं SO_REUSEPORTइसे बहु-थ्रेडेड वातावरण में उपयोग करने के लिए। आप अधिक विवरण पढ़ सकते हैं यहां.

दूसरा रन

आइए अब मल्टी-थ्रेडेड सर्वर के प्रदर्शन को मापें:

$ wrk -c100 -d1m -t8 http://127.0.0.1:18470 -H "Host: 127.0.0.1:18470" -H "Accept-Language: en-US,en;q=0.5" -H "Connection: keep-alive"
Running 1m test @ http://127.0.0.1:18470
  8 threads and 100 connections
  Thread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- Stdev
    Latency     1.14ms    2.53ms  40.73ms   89.98%
    Req/Sec    79.98k    18.07k  154.64k    78.65%
  38208400 requests in 1.00m, 5.23GB read
Requests/sec: 635876.41
Transfer/sec:     89.14MB

1 मिनट में संसाधित अनुरोधों की संख्या ~3.28 गुना बढ़ गई! लेकिन हम राउंड नंबर से केवल ~XNUMX मिलियन कम थे, तो आइए इसे ठीक करने का प्रयास करें।

सबसे पहले आइए उत्पन्न आँकड़ों पर नज़र डालें पर्फ़:

$ sudo perf stat -B -e task-clock,context-switches,cpu-migrations,page-faults,cycles,instructions,branches,branch-misses,cache-misses ./http_server_multithreaded

 Performance counter stats for './http_server_multithreaded':

     242446,314933      task-clock (msec)         #    4,000 CPUs utilized          
         1 813 074      context-switches          #    0,007 M/sec                  
             4 689      cpu-migrations            #    0,019 K/sec                  
               254      page-faults               #    0,001 K/sec                  
   895 324 830 170      cycles                    #    3,693 GHz                    
   621 378 066 808      instructions              #    0,69  insn per cycle         
   119 926 709 370      branches                  #  494,653 M/sec                  
     3 227 095 669      branch-misses             #    2,69% of all branches        
           808 664      cache-misses                                                

      60,604330670 seconds time elapsed

सीपीयू एफ़िनिटी का उपयोग करना, के साथ संकलन -march=native, PGO, हिट्स की संख्या में वृद्धि नकद, बढ़ोतरी MAX_EVENTS और उपयोग करें EPOLLET प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि नहीं हुई. लेकिन यदि आप एक साथ कनेक्शन की संख्या बढ़ा दें तो क्या होगा?

352 एक साथ कनेक्शन के लिए आँकड़े:

$ wrk -c352 -d1m -t8 http://127.0.0.1:18470 -H "Host: 127.0.0.1:18470" -H "Accept-Language: en-US,en;q=0.5" -H "Connection: keep-alive"
Running 1m test @ http://127.0.0.1:18470
  8 threads and 352 connections
  Thread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- Stdev
    Latency     2.12ms    3.79ms  68.23ms   87.49%
    Req/Sec    83.78k    12.69k  169.81k    83.59%
  40006142 requests in 1.00m, 5.48GB read
Requests/sec: 665789.26
Transfer/sec:     93.34MB

वांछित परिणाम प्राप्त हुआ, और इसके साथ कनेक्शन की संख्या पर 1 मिनट में संसाधित अनुरोधों की संख्या की निर्भरता दिखाने वाला एक दिलचस्प ग्राफ भी मिला:

हम देखते हैं कि कुछ सौ कनेक्शनों के बाद, दोनों सर्वरों के लिए संसाधित अनुरोधों की संख्या तेजी से कम हो जाती है (बहु-थ्रेडेड संस्करण में यह अधिक ध्यान देने योग्य है)। क्या यह लिनक्स टीसीपी/आईपी स्टैक कार्यान्वयन से संबंधित है? ग्राफ़ के इस व्यवहार और मल्टी-थ्रेडेड और सिंगल-थ्रेडेड विकल्पों के अनुकूलन के बारे में अपनी धारणाएँ बेझिझक टिप्पणियों में लिखें।

जैसा विख्यात टिप्पणियों में, यह प्रदर्शन परीक्षण वास्तविक लोड के तहत I/O रिएक्टर के व्यवहार को नहीं दिखाता है, क्योंकि लगभग हमेशा सर्वर डेटाबेस के साथ इंटरैक्ट करता है, लॉग आउटपुट करता है, क्रिप्टोग्राफी का उपयोग करता है टीएलएस आदि, जिसके परिणामस्वरूप भार गैर-समान (गतिशील) हो जाता है। I/O प्रॉएक्टर के बारे में लेख में तीसरे पक्ष के घटकों के साथ मिलकर परीक्षण किए जाएंगे।

I/O रिएक्टर के नुकसान

आपको यह समझने की आवश्यकता है कि I/O रिएक्टर अपनी कमियों से रहित नहीं है, अर्थात्:

बहु-थ्रेडेड वातावरण में I/O रिएक्टर का उपयोग करना कुछ अधिक कठिन है, क्योंकि आपको प्रवाह को मैन्युअल रूप से प्रबंधित करना होगा.
अभ्यास से पता चलता है कि ज्यादातर मामलों में लोड असमान होता है, जिससे एक थ्रेड लॉगिंग हो सकती है जबकि दूसरा काम में व्यस्त होता है।
यदि एक ईवेंट हैंडलर किसी थ्रेड को ब्लॉक कर देता है, तो सिस्टम चयनकर्ता स्वयं भी ब्लॉक कर देगा, जिससे बग ढूंढना मुश्किल हो सकता है।

इन समस्याओं का समाधान करता है I/O प्रॉक्टर, जिसमें अक्सर एक शेड्यूलर होता है जो थ्रेड के पूल में लोड को समान रूप से वितरित करता है, और एक अधिक सुविधाजनक एपीआई भी होता है। हम इसके बारे में बाद में, अपने दूसरे लेख में बात करेंगे।

निष्कर्ष

यहीं पर सिद्धांत से सीधे प्रोफाइलर एग्जॉस्ट तक की हमारी यात्रा समाप्त हो गई है।

आपको इस पर ध्यान नहीं देना चाहिए, क्योंकि सुविधा और गति के विभिन्न स्तरों के साथ नेटवर्क सॉफ़्टवेयर लिखने के लिए कई अन्य समान रूप से दिलचस्प दृष्टिकोण हैं। दिलचस्प है, मेरी राय में, लिंक नीचे दिए गए हैं।

जब तक हम फिर मिलेंगे!

दिलचस्प परियोजनाएँ

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स्रोत: www.habr.com

पूर्ण विशेषताओं वाला बेयर-सी I/O रिएक्टर