परिचय

I/O अणुभट्टी (सिंगल थ्रेडेड इव्हेंट लूप) हा उच्च-लोड सॉफ्टवेअर लिहिण्यासाठी एक नमुना आहे, जो अनेक लोकप्रिय उपायांमध्ये वापरला जातो:

या लेखात, आम्ही I/O अणुभट्टीचे इन्स आणि आउट्स पाहू आणि ते कसे कार्य करते, कोडच्या 200 पेक्षा कमी ओळींमध्ये अंमलबजावणी लिहू आणि 40 दशलक्ष विनंत्या/मिनिटांपेक्षा एक साधी HTTP सर्व्हर प्रक्रिया करू.

प्रस्तावना

हा लेख I/O अणुभट्टीची कार्यप्रणाली समजून घेण्यात मदत करण्यासाठी आणि त्यामुळे ते वापरताना जोखीम समजून घेण्यासाठी लिहिला गेला आहे.
लेख समजून घेण्यासाठी मूलभूत गोष्टींचे ज्ञान आवश्यक आहे. सी भाषा आणि नेटवर्क ऍप्लिकेशन डेव्हलपमेंटमधील काही अनुभव.
सर्व कोड C भाषेत काटेकोरपणे (खबरदारी: लांब PDF) C11 मानकापर्यंत Linux साठी आणि वर उपलब्ध GitHub.

हे आवश्यक का आहे?

इंटरनेटच्या वाढत्या लोकप्रियतेसह, वेब सर्व्हरला एकाच वेळी मोठ्या संख्येने कनेक्शन हाताळण्याची गरज भासू लागली आणि म्हणून दोन पद्धती वापरल्या गेल्या: मोठ्या संख्येने OS थ्रेड्सवर I/O ला ब्लॉक करणे आणि I/O ला ब्लॉक न करणे. इव्हेंट सूचना प्रणाली, ज्याला "सिस्टम सिलेक्टर" देखील म्हणतात (epoll/kqueue/IOCP/ इत्यादी).

प्रत्येक इनकमिंग कनेक्शनसाठी नवीन OS थ्रेड तयार करणे हा पहिला दृष्टिकोन आहे. त्याचे नुकसान खराब स्केलेबिलिटी आहे: ऑपरेटिंग सिस्टमला अनेक अंमलबजावणी करावी लागेल संदर्भ संक्रमणे и सिस्टम कॉल. ते महाग ऑपरेशन्स आहेत आणि प्रभावी कनेक्शनसह विनामूल्य रॅमची कमतरता होऊ शकते.

सुधारित आवृत्ती हायलाइट करते थ्रेड्सची निश्चित संख्या (थ्रेड पूल), ज्यामुळे सिस्टमला अंमलबजावणी रद्द करण्यापासून प्रतिबंधित करते, परंतु त्याच वेळी एक नवीन समस्या सादर करते: जर थ्रेड पूल सध्या दीर्घ वाचन ऑपरेशन्सद्वारे अवरोधित केला असेल, तर इतर सॉकेट्स जे आधीच डेटा प्राप्त करण्यास सक्षम असतील. तसे करा

दुसरा दृष्टिकोन वापरतो कार्यक्रम सूचना प्रणाली (सिस्टम सिलेक्टर) OS द्वारे प्रदान केले जाते. हा लेख I/O ऑपरेशन्ससाठी तत्परतेबद्दल सूचना (इव्हेंट, नोटिफिकेशन) वर आधारित सिस्टीम सिलेक्टरच्या सर्वात सामान्य प्रकारावर चर्चा करतो. त्यांच्या पूर्णतेबद्दल सूचना. त्याच्या वापराचे सरलीकृत उदाहरण खालील ब्लॉक आकृतीद्वारे दर्शविले जाऊ शकते:

या पद्धतींमधील फरक खालीलप्रमाणे आहे:

I/O ऑपरेशन्स अवरोधित करणे निलंबित वापरकर्ता प्रवाह पर्यंतOS व्यवस्थित होईपर्यंत डीफ्रॅगमेंट येणारे आयपी पॅकेट्स प्रवाह बाइट करण्यासाठी (टीसीपी, डेटा प्राप्त करत आहे) किंवा त्यानंतरच्या द्वारे पाठवण्याकरिता अंतर्गत लेखन बफरमध्ये पुरेशी जागा उपलब्ध नसेल काहीही नाही (डेटा पाठवत आहे).
सिस्टम निवडकर्ता जादा वेळ प्रोग्रामला सूचित करते की OS आधीच डीफ्रॅगमेंट केलेले IP पॅकेट (TCP, डेटा रिसेप्शन) किंवा अंतर्गत लेखन बफरमध्ये पुरेशी जागा आधीच उपलब्ध (डेटा पाठवणे).

थोडक्यात, प्रत्येक I/O साठी OS थ्रेड आरक्षित करणे म्हणजे संगणकीय शक्तीचा अपव्यय आहे, कारण प्रत्यक्षात, थ्रेड उपयुक्त कार्य करत नाहीत (म्हणूनच ही संज्ञा "सॉफ्टवेअर व्यत्यय"). सिस्टम सिलेक्टर या समस्येचे निराकरण करतो, वापरकर्ता प्रोग्रामला CPU संसाधने अधिक आर्थिकदृष्ट्या वापरण्याची परवानगी देतो.

I/O अणुभट्टी मॉडेल

I/O अणुभट्टी सिस्टीम सिलेक्टर आणि वापरकर्ता कोड दरम्यान एक स्तर म्हणून कार्य करते. त्याच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत खालील ब्लॉक आकृतीद्वारे वर्णन केले आहे:

मी तुम्हाला आठवण करून देतो की इव्हेंट ही एक सूचना आहे की विशिष्ट सॉकेट नॉन-ब्लॉकिंग I/O ऑपरेशन करण्यास सक्षम आहे.
इव्हेंट हँडलर हे इव्हेंट प्राप्त झाल्यावर I/O अणुभट्टीद्वारे कॉल केलेले फंक्शन आहे, जे नंतर नॉन-ब्लॉकिंग I/O ऑपरेशन करते.

हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की I/O अणुभट्टी ही परिभाषानुसार सिंगल-थ्रेडेड आहे, परंतु 1 थ्रेड: 1 अणुभट्टीच्या गुणोत्तराने बहु-थ्रेडेड वातावरणात संकल्पना वापरण्यापासून काहीही थांबवत नाही, ज्यामुळे सर्व CPU कोर पुनर्वापर केले जातात.

अंमलबजावणी

आम्ही सार्वजनिक इंटरफेस फाइलमध्ये ठेवू reactor.h, आणि अंमलबजावणी - मध्ये reactor.c. reactor.h खालील घोषणांचा समावेश असेल:

अणुभट्टीमध्ये घोषणा दर्शवा

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 अणुभट्टीची रचना असते फाइल वर्णनकर्ता निवडकर्ता epoll и हॅश टेबल GHashTable, जे प्रत्येक सॉकेटला मॅप करते CallbackData (इव्हेंट हँडलरची रचना आणि त्यासाठी वापरकर्ता युक्तिवाद).

अणुभट्टी आणि कॉलबॅक डेटा दर्शवा

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

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

कृपया लक्षात घ्या की आम्ही हाताळण्याची क्षमता सक्षम केली आहे अपूर्ण प्रकार निर्देशांकानुसार. IN reactor.h आम्ही रचना घोषित करतो reactor, आणि मध्ये reactor.c आम्ही ते परिभाषित करतो, ज्यामुळे वापरकर्त्याला त्याचे फील्ड स्पष्टपणे बदलण्यापासून प्रतिबंधित करतो. हा एक नमुना आहे डेटा लपवत आहे, जे C शब्दार्थात संक्षिप्तपणे बसते.

कार्ये reactor_register, reactor_deregister и reactor_reregister सिस्टीम सिलेक्टर आणि हॅश टेबलमध्ये आवडीच्या सॉकेट्स आणि संबंधित इव्हेंट हँडलर्सची यादी अपडेट करा.

नोंदणी कार्ये दर्शवा

#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 अणुभट्टीने वर्णनकर्त्यासह इव्हेंट रोखल्यानंतर fd, तो संबंधित इव्हेंट हँडलरला कॉल करतो, ज्याकडे तो जातो fd, बिट मास्क व्युत्पन्न केलेले कार्यक्रम आणि वापरकर्ता पॉइंटर void.

reactor_run() फंक्शन दाखवा

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;
}

थोडक्यात, वापरकर्ता कोडमधील फंक्शन कॉलची साखळी खालील फॉर्म घेईल:

सिंगल थ्रेडेड सर्व्हर

उच्च लोड अंतर्गत I/O अणुभट्टीची चाचणी करण्यासाठी, आम्ही एक साधा HTTP वेब सर्व्हर लिहू जो प्रतिमेसह कोणत्याही विनंतीस प्रतिसाद देतो.

HTTP प्रोटोकॉलचा एक द्रुत संदर्भ

HTTP - हा प्रोटोकॉल आहे अर्ज पातळी, प्रामुख्याने सर्व्हर-ब्राउझर परस्परसंवादासाठी वापरला जातो.

HTTP सहज वापरता येते वाहतूक प्रोटोकॉल टीसीपी, निर्दिष्ट केलेल्या फॉरमॅटमध्ये संदेश पाठवणे आणि प्राप्त करणे तपशील.

विनंती स्वरूप

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

CRLF दोन वर्णांचा क्रम आहे: r и n, विनंतीची पहिली ओळ, शीर्षलेख आणि डेटा विभक्त करणे.
<КОМАНДА> - एक CONNECT, DELETE, GET, HEAD, OPTIONS, PATCH, POST, PUT, TRACE. ब्राउझर आमच्या सर्व्हरला कमांड पाठवेल GET, म्हणजे "मला फाइलची सामग्री पाठवा."
<URI> - एकसमान संसाधन अभिज्ञापक. उदाहरणार्थ, जर URI = /index.html, नंतर क्लायंट साइटच्या मुख्य पृष्ठाची विनंती करतो.
<ВЕРСИЯ HTTP> — स्वरूपातील HTTP प्रोटोकॉलची आवृत्ती HTTP/X.Y. आज सर्वात जास्त वापरलेली आवृत्ती आहे HTTP/1.1.
<ЗАГОЛОВОК N> फॉरमॅटमध्‍ये एक की-व्हॅल्यू जोडी आहे <КЛЮЧ>: <ЗНАЧЕНИЕ>, पुढील विश्लेषणासाठी सर्व्हरकडे पाठवले.
<ДАННЫЕ> — ऑपरेशन करण्यासाठी सर्व्हरला आवश्यक असलेला डेटा. अनेकदा ते सोपे असते JSON किंवा इतर कोणतेही स्वरूप.

प्रतिसाद स्वरूप

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

<КОД СТАТУСА> ऑपरेशनचे परिणाम दर्शविणारी संख्या आहे. आमचा सर्व्हर नेहमी स्थिती 200 परत करेल (यशस्वी ऑपरेशन).
<ОПИСАНИЕ СТАТУСА> - स्थिती कोडचे स्ट्रिंग प्रतिनिधित्व. स्टेटस कोड 200 साठी हे आहे OK.
<ЗАГОЛОВОК N> — विनंती प्रमाणेच फॉर्मेटचे शीर्षलेख. आम्ही शीर्षके परत करू Content-Length (फाइल आकार) आणि Content-Type: text/html (रिटर्न डेटा प्रकार).
<ДАННЫЕ> — वापरकर्त्याने विनंती केलेला डेटा. आमच्या बाबतीत, हा मधील प्रतिमेचा मार्ग आहे HTML.

फाइल http_server.c (सिंगल थ्रेडेड सर्व्हर) फाइल समाविष्ट करते common.h, ज्यामध्ये खालील फंक्शन प्रोटोटाइप आहेत:

Common.h मध्ये फंक्शन प्रोटोटाइप दाखवा

/*
 * 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 मॅक्रो देखील वर्णन केले आहे SAFE_CALL() आणि कार्य परिभाषित केले आहे fail(). मॅक्रो अभिव्यक्तीच्या मूल्याची त्रुटीशी तुलना करते, आणि स्थिती सत्य असल्यास, फंक्शनला कॉल करते fail():

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

कार्य fail() पास केलेले आर्ग्युमेंट्स टर्मिनलवर प्रिंट करते (जसे printf()) आणि कोडसह प्रोग्राम समाप्त करतो 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);
}

कार्य new_server() सिस्टम कॉलद्वारे तयार केलेल्या "सर्व्हर" सॉकेटचे फाइल वर्णनकर्ता परत करते socket(), bind() и listen() आणि नॉन-ब्लॉकिंग मोडमध्ये इनकमिंग कनेक्शन स्वीकारण्यास सक्षम.

new_server() फंक्शन दाखवा

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;
}

लक्षात घ्या की सॉकेट सुरुवातीला ध्वज वापरून नॉन-ब्लॉकिंग मोडमध्ये तयार केले जाते SOCK_NONBLOCKजेणेकरून फंक्शनमध्ये on_accept() (अधिक वाचा) सिस्टम कॉल accept() थ्रेडची अंमलबजावणी थांबवली नाही.
तर reuse_port च्या बरोबर आहे true, नंतर हे फंक्शन पर्यायासह सॉकेट कॉन्फिगर करेल SO_REUSEPORT माध्यमातून setsockopt()मल्टी-थ्रेडेड वातावरणात समान पोर्ट वापरण्यासाठी ("मल्टी-थ्रेडेड सर्व्हर" विभाग पहा).

इव्हेंट हँडलर on_accept() OS ने इव्हेंट जनरेट केल्यानंतर कॉल केला EPOLLIN, या प्रकरणात याचा अर्थ नवीन कनेक्शन स्वीकारले जाऊ शकते. on_accept() नवीन कनेक्शन स्वीकारते, ते नॉन-ब्लॉकिंग मोडवर स्विच करते आणि इव्हेंट हँडलरसह नोंदणी करते on_recv() I/O अणुभट्टीमध्ये.

on_accept() फंक्शन दाखवा

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);
}

इव्हेंट हँडलर on_recv() OS ने इव्हेंट जनरेट केल्यानंतर कॉल केला EPOLLIN, या प्रकरणात म्हणजे कनेक्शन नोंदणीकृत on_accept(), डेटा प्राप्त करण्यास तयार आहे.

on_recv() HTTP विनंती पूर्णपणे प्राप्त होईपर्यंत कनेक्शनमधील डेटा वाचते, त्यानंतर ते हँडलरची नोंदणी करते on_send() HTTP प्रतिसाद पाठवण्यासाठी. क्लायंटने कनेक्शन तोडल्यास, सॉकेटची नोंदणी रद्द केली जाते आणि वापरून बंद केली जाते close().

कार्य दर्शवा on_recv()

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);
    }
}

इव्हेंट हँडलर on_send() OS ने इव्हेंट जनरेट केल्यानंतर कॉल केला EPOLLOUT, म्हणजे कनेक्शन नोंदणीकृत on_recv(), डेटा पाठवण्यासाठी तयार. हे फंक्शन क्लायंटला प्रतिमेसह HTML असलेला HTTP प्रतिसाद पाठवते आणि नंतर इव्हेंट हँडलरला परत बदलते on_recv().

on_send() फंक्शन दाखवा

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);
}

आणि शेवटी, फाईलमध्ये http_server.c, कार्यात main() आम्ही वापरून I/O अणुभट्टी तयार करतो reactor_new(), सर्व्हर सॉकेट तयार करा आणि त्याची नोंदणी करा, वापरून अणुभट्टी सुरू करा reactor_run() अगदी एका मिनिटासाठी, आणि नंतर आम्ही संसाधने सोडतो आणि प्रोग्राममधून बाहेर पडतो.

http_server.c दाखवा

#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);
}

सर्वकाही अपेक्षेप्रमाणे कार्य करत आहे हे तपासूया. संकलन (chmod a+x compile.sh && ./compile.sh प्रोजेक्ट रूटमध्ये) आणि स्वत: लिखित सर्व्हर लाँच करा, उघडा http://127.0.0.1:18470 ब्राउझरमध्ये आणि आम्हाला काय अपेक्षित आहे ते पहा:

कामगिरी मोजमाप

माझ्या कारची वैशिष्ट्ये दाखवा

$ 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

चला सिंगल-थ्रेडेड सर्व्हरची कार्यक्षमता मोजू. चला दोन टर्मिनल उघडूया: एकात आपण धावू ./http_server, वेगळ्या मध्ये - आरके. एका मिनिटानंतर, खालील आकडेवारी दुसऱ्या टर्मिनलमध्ये प्रदर्शित केली जाईल:

$ 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

आमचा सिंगल-थ्रेडेड सर्व्हर 11 कनेक्शन्समधून उद्भवलेल्या प्रति मिनिट 100 दशलक्ष पेक्षा जास्त विनंत्या प्रक्रिया करण्यात सक्षम होता. वाईट परिणाम नाही, परंतु ते सुधारले जाऊ शकते का?

मल्टीथ्रेडेड सर्व्हर

वर नमूद केल्याप्रमाणे, I/O अणुभट्टी स्वतंत्र थ्रेडमध्ये तयार केली जाऊ शकते, ज्यामुळे सर्व CPU कोर वापरता येतात. चला हा दृष्टिकोन सरावात ठेवूया:

http_server_multithreaded.c दाखवा

#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);
    }
}

आता प्रत्येक धागा त्याच्या मालकीचे आहे अणुभट्टी:

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

कृपया लक्षात घ्या की फंक्शन आर्ग्युमेंट new_server() वकिल true. याचा अर्थ आम्ही सर्व्हर सॉकेटला पर्याय नियुक्त करतो SO_REUSEPORTते बहु-थ्रेडेड वातावरणात वापरण्यासाठी. आपण अधिक तपशील वाचू शकता येथे.

दुसरी धाव

आता मल्टी-थ्रेडेड सर्व्हरची कार्यक्षमता मोजूया:

$ 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 मिनिटात प्रक्रिया केलेल्या विनंत्यांची संख्या ~3.28 पटीने वाढली! परंतु आम्ही राऊंड नंबरपेक्षा फक्त ~XNUMX दशलक्ष कमी होतो, म्हणून ते निराकरण करण्याचा प्रयत्न करूया.

प्रथम तयार केलेली आकडेवारी पाहू परफ:

$ 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

CPU आत्मीयता वापरणे, सह संकलन -march=native, पीजीओ, हिट्सच्या संख्येत वाढ कॅशे, वाढवा MAX_EVENTS आणि वापरा EPOLLET कामगिरीत लक्षणीय वाढ दिली नाही. परंतु आपण एकाचवेळी कनेक्शनची संख्या वाढविल्यास काय होईल?

352 एकाचवेळी कनेक्शनसाठी आकडेवारी:

$ 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

इच्छित परिणाम प्राप्त झाला आणि त्यासह कनेक्शनच्या संख्येवर 1 मिनिटात प्रक्रिया केलेल्या विनंत्यांच्या संख्येचे अवलंबन दर्शविणारा एक मनोरंजक आलेख:

आम्ही पाहतो की दोनशे कनेक्शननंतर, दोन्ही सर्व्हरसाठी प्रक्रिया केलेल्या विनंत्यांची संख्या झपाट्याने कमी होते (मल्टी-थ्रेडेड आवृत्तीमध्ये हे अधिक लक्षणीय आहे). हे Linux TCP/IP स्टॅक अंमलबजावणीशी संबंधित आहे का? आलेखाच्या या वर्तनाबद्दल आणि टिप्पण्यांमध्ये मल्टी-थ्रेडेड आणि सिंगल-थ्रेडेड पर्यायांसाठी ऑप्टिमायझेशनबद्दल तुमचे गृहितक मोकळ्या मनाने लिहा.

कसे नोंदवले टिप्पण्यांमध्ये, ही कार्यप्रदर्शन चाचणी वास्तविक लोड अंतर्गत I/O अणुभट्टीचे वर्तन दर्शवत नाही, कारण जवळजवळ नेहमीच सर्व्हर डेटाबेसशी संवाद साधतो, लॉग आउटपुट करतो, क्रिप्टोग्राफी वापरतो TLS इ., परिणामी लोड नॉन-युनिफॉर्म (डायनॅमिक) होते. I/O प्रोएक्टर बद्दलच्या लेखात तृतीय-पक्ष घटकांसह चाचण्या केल्या जातील.

I/O अणुभट्टीचे तोटे

तुम्हाला हे समजून घेणे आवश्यक आहे की I/O अणुभट्टी त्याच्या कमतरतांशिवाय नाही, म्हणजे:

मल्टी-थ्रेडेड वातावरणात I/O अणुभट्टी वापरणे काहीसे कठीण आहे, कारण तुम्हाला प्रवाह मॅन्युअली व्यवस्थापित करावे लागतील.
सराव दर्शवितो की बहुतेक प्रकरणांमध्ये भार एकसमान नसतो, ज्यामुळे एक थ्रेड लॉगिंग होऊ शकतो तर दुसरा कामात व्यस्त असतो.
जर एखाद्या इव्हेंट हँडलरने थ्रेड ब्लॉक केला, तर सिस्टम सिलेक्टर देखील ब्लॉक करेल, ज्यामुळे शोधणे कठीण होऊ शकते.

या समस्या सोडवतात I/O प्रोएक्टर, ज्यामध्ये बर्‍याचदा शेड्युलर असतो जो थ्रेड्सच्या पूलमध्ये समान रीतीने लोड वितरीत करतो आणि अधिक सोयीस्कर API देखील असतो. आम्ही माझ्या इतर लेखात याबद्दल नंतर बोलू.

निष्कर्ष

इथेच आमचा सिद्धांतापासून थेट प्रोफाइलर एक्झॉस्टपर्यंतचा प्रवास संपला आहे.

आपण यावर लक्ष देऊ नये, कारण विविध स्तरांच्या सोयी आणि गतीसह नेटवर्क सॉफ्टवेअर लिहिण्यासाठी इतरही तितकेच मनोरंजक मार्ग आहेत. मनोरंजक, माझ्या मते, दुवे खाली दिले आहेत.

पुढच्या वेळे पर्यंत!

मनोरंजक प्रकल्प

सी
गंज

मी आणखी काय वाचावे?

स्त्रोत: www.habr.com

पूर्ण वैशिष्ट्यीकृत बेअर-सी I/O अणुभट्टी