如何设计高并发的服务器，如何提升服务器性能？

您好楼主希望对您有帮助高并发对后台开发同学来说，既熟悉又陌生。熟悉是因为面试和工作经常会提及它。陌生的原由是服务器因高并发导致出现各位问题的情况少之又少。同时，想收获这方面的经验也是摸着石头过河，需要大量学习理论知识，再去探索。

如果是客户端开发的同学，字典中是没有“高并发”这个名词。这验证一句老话，隔行如隔山。客户端开发，特别是手机应用开发，更多地是考虑如何优化应用的性能，降低App的卡顿率

在这个“云”的时代，提高分布式系统并发能力的方式，方法论上主要有两种：垂直扩展（ScaleUp）与水平扩展（ScaleOut）。

1)垂直扩展

提升单机处理能力。垂直扩展的方式又有两种：

增强单机硬件性能，例如：增加CPU核数如32核，升级更好的网卡如万兆，升级更好的硬盘如SSD，扩充硬盘容量如2T，扩充系统内存如128G；

提升单机架构性能，例如：使用Cache来减少I/O次数，使用异步来增加单服务吞吐量，使用无锁数据结构来减少响应时间；

2)水平扩展

只要增加服务器数量，就能线性扩充系统性能。虚拟化技术的出现，让水平扩展变得轻松且简单。现在的云主机几乎是虚拟主机，而不是物理主机。这样的话，线性扩充也就是分分钟的事，前提是要有足够的物理主机支撑。

Web框架层

Web框架层就是我们开发出来的DjangoWeb应用程序。它负责处理>

WSGI层

WSGI不是用于与程序交互的API，也不是真实的代码，WSGI只是一种接口。它只适用于Python语言，其全称为WebServerGatewayInterface。其定义了web服务器和web应用之间的接口规范。

Web服务器层

Web服务层作用是主要是接收>

特别是Nginx,它的出现是为了解决C10K问题。Nginx依靠异步事件驱动架构来帮助其处理大量的并发会话，由于其对资源的轻量利用和伸缩自如的特性，它成为了广受欢迎的web服务器。

Django框架注重的数据交互。所以考虑的问题是Django适不适合于高并发的场景。

它是一个经过大型网站规模验证的框架。Instagram支撑上亿日活，所以Django能适用于高并发场景。所以不是想着Django框架能支撑到多大的并发量，而是我们想要抗住很大的并发量，怎么优化现有框架。总之这个问题不是这么简单的活到老学到老多看看技术类书籍结合自己的能力在进行改进

对于大多数的运维管理程序员来说，如何维护服务器的正常运行以及内存占用等都是非常常见的日常工作内容。
而服务器的虚拟化却能够大大优化这一问题。
下面我们就一起来了解一下服务器虚拟化的好处。
从基本的服务器整合开始，服务器虚拟化有诸多好处。
你可以在单个硬件上将多个应用程序联合起来，从而减少数据中心所需的服务器的总的数量。
服务器越少，框架和网络设备就会更少;从物理空间到空调的维修费用，所有这些都会帮助节省事物的开支。
服务器虚拟化降低了新硬件对资本支出的需求，从而让你不用再对这些硬件进行更新。
你可以重新部署那些突然释放出来的服务器。
还记得数据中心管理员必须手动提供服务器的那些日子吗自从服务器虚拟化出现之后，自动化就有了较大进步，从而用户就可以在几秒时间内把VM运行起来，并且还能通过仅点击几下鼠标来迁移多个工作负载，以便应对业务变化需求。
服务器虚拟化也能够提供当下基于web的、高连接性业务所需的高可用性、失效备援、可扩展性、敏捷性、高性能和灵活性。
服务器虚拟化是支持云计算供应商提供其服务的底层技术。
当客户从云服务提供商那里购买了基础设施即服务(IaaS)时，他们就会购买VM，然后再添加完成任务所需的相关存储、管理和安全功能。
服务器虚拟化的不同类型在服务器虚拟化的世界中，物理服务器被称为主机，它运行着一个主机 *** 作系统。
每个VM都是一个客户，会运行一个客户 *** 作系统。
客户会彼此隔离开。
有了基于超管理程序的虚拟化，超级监督程序或虚拟机监控器(VMM)就能处于主机OS和底层硬件层之间，向客户 *** 作系统提供必需的资源。
半虚拟化和全虚拟化能够在客户 *** 作系统安装进虚拟机之前对它进行修改。
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如果您是一个系统的管理员，在该系统中，用户需要与原始服务器彼此分开，那么一种便宜有效的方法是通过称为“服务器虚拟化”的过程创建专用服务器。

服务器虚拟化是采用物理服务器的想法，然后借助虚拟化软件对服务器进行分区或分割，以使其看起来像多个“虚拟服务器”，每个虚拟服务器都可以运行其 *** 作系统副本。这样，它可以以多种不同的方式使用，而不是整个服务器专用于一件事。

服务器虚拟化的优势

节省IT成本。将一台物理服务器划分为多个虚拟机时，可以在该一台物理服务器上一次部署， *** 作和管理多个 *** 作系统实例。更少的物理服务器意味着更少的钱花在这些服务器上。减少公司必须在其场所中拥有的物理服务器的数量。无论公司规模大小，节省空间始终是一个好主意。由于更少的物理服务器消耗电能，因此降低了能耗。考虑到绿色IT计划和实施的趋势，这一点尤其重要。创建独立的用户环境。将所有内容分开对于进行软件测试等目的特别有用（这样程序员可以在一个虚拟服务器上运行应用程序而不会影响其他虚拟服务器）。提供负担得起的虚拟主机。当数十台服务器可以安装在同一台计算机上时，服务器的供应量几乎没有任何增加的增加。

服务器虚拟化的类型

虚拟机模型（或“完全虚拟化”）：基于主机/来宾范例，使用一种称为管理程序的特殊软件。管理员可以使用不同的 *** 作系统创建来宾。准虚拟机（PVM）：类似于完全虚拟化，也基于主机/来宾范式。也可以运行多个 *** 作系统。 *** 作系统级别：不基于主机/来宾范例。来宾系统必须使用与管理员/主机相同的 *** 作系统，并且分区彼此完全分开（因此一个分区中的问题不会影响其他任何分区）。

从硬件的角度来看，虚拟化的好处有一点背景-虚拟化允许在相同的硬件上运行更多的应用程序，从而节省了成本。如果购买更少的服务器，则将减少资本支出和维护成本。

虚拟化的好处是什么？

减少所需的物理设备数量；轻松分割网络；允许快速更改/可伸缩性和敏捷部署；物理设备销毁的安全性；故障转移模式_有缺陷的磁盘可以快速切换到备份，并且可以修复发生故障的组件，同时系统可以继续运行；组织虚拟网络相对容易，并可以立即提高网络效率。

您可以设计网络，以便将局域网（LAN）细分为虚拟网络和VLAN。这样做会大大改善负载平衡。您还可以通过分段网络并建立基于角色和基于位置的权限和过程来提高安全性。在虚拟环境中执行此 *** 作可使您变得敏捷并根据需要调整网络体系结构，以管理不断变化的网络负载和需求。

更大的网络可见性非常宝贵，可以节省大量的资本支出和运营支出，并减少停机时间。要了解有关虚拟化优势的更多信息，请下载此免费白皮书。

目前，OT网络往往比IT网络小很多，但这正在改变中，尤其是在向工业物联网迫在眉睫的转变中。当这种情况发生时，并且有业内专家表示，这种情况将在不久的将来大规模实现，网络连接设备的数量绝对会迅速增加。因此，很可能在两年内，网络监视在该行业中将与在IT中一样重要。

2005年11月，英特尔发布了新的Xeon MP处理器系统7000系列，X86平台历史上第一个硬件辅助虚拟化技术――VT（Vanderpool Technology）技术也随之诞生。这一里程碑式的事件也拉开了X86平台普遍虚拟化计算的帷幕。

虚拟化: 概念与优势

所谓虚拟化，是指将单台电脑/服务器软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需要模拟电脑/服务器的一项技术。它的技术实质是通过中间层次实现计算资源的管理和再分配，使资源利用实现最大化。
虚拟化分区带来的最大好处是使同一个物理平台能够同时运行多个同类或不同类的 *** 作系统，以分别作为不同业务和应用的支撑平台。分区使得应用之间能够更好地隔离，避免在同一个系统运行多个应用时相互影响; 同时使得系统的备份、迁移和升级更加简单灵活，由于资源管理中间层的存在，不但 *** 作变得非常简单，而且可以很容易实现在线实施; 当然，最重要的是分区可以实现计算资源的实时按需动态分配，负载大的分区可以获得更多的计算资源，在负载下降时，计算资源可以被回收，返还或再分配给其他的分区，以最大限度地实现资源整合和按需动态分配。

硬件辅助虚拟化: 一种更高效可靠的实现方式

虚拟化有两种实施方式: 纯软件虚拟化方式和硬件辅助虚拟化方式。
虚拟化技术最早在大型主机上采用，但随着X86处理器性能的提高和应用的普及，业界很多公司都看到了虚拟化在X86平台上实施的价值，因此VMware、Xen、微软和SWsoft等软件厂商纷纷推出了支持X86平台的虚拟化软件。
这些软件虚拟化产品的基本思路是在 *** 作系统与硬件层之间或者 *** 作系统之上建立一层独立控制、分配硬件资源的软件层来达到虚拟化系统资源的目的。不过，不同的虚拟化产品其实现模式也有很大的不同，通过介于底层硬件和 *** 作系统之间的软件层实现虚拟化功能的代表为VMware和Xen的产品，而SWsoft的产品则是在特定的 *** 作系统之上“虚拟”出多个系统资源副本（SWsoft有支持Windows和Linux的版本），其好处是没有对系统软件的修改，对系统性能的影响较小，但由于实现虚拟化的层级不够“低”，灵活性不如前者，如VMware的产品可以在Linux系统基础上虚拟化出Windows的应用环境。
对于X86处理器来说，其保护模式下一共有4个不同优先级，分别从Ring 0直到Ring3。这些Ring的优先级随其所执行功能的不同也有所不同。其中Ring 0用于 *** 作系统内核，优先级最高，拥有最高的“特权”，Ring 1和Ring 2用于 *** 作系统服务，优先级次之，Ring 3用于应用程序，优先级最低。

软件虚拟化技术工作原理

位于Ring 0特权空间的 *** 作系统可以优先访问各种硬件资源。软件虚拟化技术是在Ring 0 中运行一个称为虚拟机监视器（VMM）的软件中间层，以负责控制和排列各个分区访问硬件资源的优先顺序。它要求在软件堆栈的较高层运行 *** 作系统――通常是在Ring 1或者与系统应用共用的Ring 3。
由于 *** 作系统设计缺省工作在Ring 0 特权级别，而现在Ring 0被VMM所拥有，所以传统的纯软件虚拟化技术需要VMM通过复杂的软件编程来解决这个矛盾。其中一种方法是通过打补丁修改 *** 作系统内核源代码让其认知到工作在Guest OS (虚拟机上的 *** 作系统) 虚拟 *** 作系统模式下，另一种方法是需要对运行期间 *** 作系统的某些硬件调用指令作二进制码翻译等。由于上述原因，传统的纯软件实现方式在测试、验证和维护每款新 *** 作系统和相关补丁方面，需要花费大量的时间和资金， 同时二进制码翻译需要消耗处理器的很多计算资源。

英特尔VT技术工作原理

纯软件虚拟化运行时的开销会造成系统运行速度较慢，有数据表明其引起的系统性能下降可能超过10%，尤其是在服务器整合领域，当虚拟化系统数目巨大时，其性能损失更为可观。另外由于要通过软件捕获分配基本资源的处理器指令，不但过程复杂，可靠性不高，对不同平台的兼容性也容易产生问题。
这也是硬件辅助虚拟化技术诞生的重要原因。与软件方案相比，VT技术对如何在不同的情形下分配给Guest OS 想要的Ring 特权级别做了重要的改进，在软件堆栈中为VMM提供了专用的空间，可以支持未经修改的 *** 作系统和应用在专门为它们设计的环境中运行，从而简化了硬件调用。
同时，VT通过硬件底层指令集来支持虚拟机监视器（VMM）与已安装Guest OS 之间的切换，效率和可靠性明显提高。
另外，VT技术还设计了保留VMM和已安装的Guest OS的处理器状态信息的专用内存地址空间，这样不但可以缩短各个 *** 作系统访问硬件之间的间隔时间， 同时提高了各个虚拟机上的 *** 作系统之间的安全隔离性。
硬件辅助虚拟化通过提高客户虚拟系统的隔离性而增强了虚拟化的性能、灵活性和可靠性。在实施时也更加简单。

不仅仅是服务器

双核处理器及64位平台支持功能为虚拟化技术提供了一个更加稳定可靠的平台基础。继去年英特尔宣布在X86服务器平台支持硬件辅助虚拟化技术之后，即将于今年第三季度早期发布的博锐商用桌面平台也将引入虚拟化技术，而64位安腾平台也将在今年实现对VT技术的支持。
虽然虚拟化的概念和实施最早来源于大型服务器主机，但随着以英特尔和VMware、微软等为代表的软硬件厂商将虚拟化技术引入X86平台，一个崭新的时代即将到来。著名的市场调研和分析机构Gartner认为，未来十年内，虚拟化将是PC行业所面临的最具革命性的一种技术。
由于多核处理器的诞生，使虚拟化技术可以分配的硬件资源得到了扩充，因此不仅仅是在服务器平台上，即使是在工作站和桌面平台上，硬件辅助虚拟化的价值也将越来越明显。
在服务器领域，虚拟化可以带来更高的部件及系统级利用率，带来具有透明负载均衡、动态迁移、故障自动隔离、系统自动重构的高可靠服务器应用环境，以及更为简洁、统一的服务器资源分配管理模式。这方面带来的效能提升非常明显。有一项针对Gap时装公司的数据表明，支持VT技术的Xeon MP服务器平台结合VMware的虚拟化软件可以实现高达30:1的服务器整合率。
在工作站环境中，虚拟化可以在单个工作站中整合多种环境，让开发人员在同一平台上的各个分区中托管一个连续叠合的软件堆栈。这可以提高硬件的使用率并简化整个产品周期的管理工作。
而虚拟化除了可以为台式机带来类似数据中心的灵活性和响应能力外，还可以结合iAMT（主动管理）技术对PC实施远端控制，在不影响终端用户工作的情况下运行安全和管理服务，甚至通过独立的分区来过滤网络流量，防止病毒或者恶意代码到达用户终端。

迎接普遍虚拟化计算时代

毫无疑问，虚拟化实现的层次越“低”，其效能、可靠性和安全性就越高。随着功能的增多，仅仅在处理器芯片层面支持虚拟化就显得不够了。必须要把核心功能软件固化到系统固件层。由于系统固件层是独立于 *** 作系统之上的，并且可以通过编程来不断更新升级虚拟化功能支持，因此其好处是不但可以更方便地支持任何 *** 作系统（包括Unix、Linux、Windows和MacOS等），效率和灵活性也会更高。
目前英特尔平台的BIOS还不具备这种灵活强大的可编程能力。不过其下一代BIOS系统EFI可以通过高级语言（如C）编程，而不是像目前这样仅支持汇编语言。而微软下一代 *** 作系统Vista也将支持EFI。
对X86平台来说，英特尔虚拟化（VT）技术是一项不断发展完善的技术。从处理器、芯片组、内存、基本BIOS、存储设备到显卡，下一步将实现把I/O 设备映射到系统的虚拟机，这意味着一个更广泛部署的硬件虚拟化技术――实现包括计算、存储、I/O处理在内的整个计算平台的虚拟化。
届时，整个计算机资源得到更充分的管理和利用，系统的性能、可靠性、安全性和可管理性也将实现质的飞跃。
毫无疑问，那是人类梦想的普遍虚拟化时代的最终实现。

一什么是虚拟化？
简单来讲，虚拟化就是为一些组件创建虚拟（而不是物理）版本的过程。虚拟化可以应用到计算机、 *** 作系统、存储设备、应用或网络。但是，服务器虚拟化才是虚拟化的核心。 现如今的 x86 服务器的设计存在局限性，每次只能运行一个 *** 作系统和应用，这为 IT 部门带来了挑战。因此，即使是小型数据中心也必须部署大量服务器，而每台服务器的容量利用率只有 5% 到 15%，无论以哪种标准来衡量，都十分的低效。
虚拟化使用软件来模拟硬件并创建虚拟计算机系统。这样一来，企业便可以在单台服务器上运行多个虚拟系统，也就是运行多个 *** 作系统和应用，而这可以实现规模经济以及提高效益。
二为什么要虚拟化？
虚拟化技术能为我们解决很多以前解决不了的技术：
1、服务器整合技术：这个技术在没有虚拟化技术之前是很难完成的。因为什么东西都是实际存在的，想把两个工作相对较少的服务器整合到一起是很困难的。然而当有了虚拟化技术以后使这种服务器整合技术变得非常容易。而这个技术需要借助我下面介绍的2、3条技术。
2、负载均衡技术：
负载均衡技术是只在每台服务器上安装一个负载均衡器，然后设置很多的调度算法及临界值。来判断此时此刻服务器的压力是轻还是重。然后根据轻重来完成服务器的合并，而合并又依据了第三条技术。
3、动态迁移技术：这个技术是前两个技术的根基，但是却不只仅仅限于前两个技术。它的目的是可以在服务器开启的状态下，把其上面的虚拟机迁移到其他的服务器上面。工作原理大体是先将目标服务器上模拟出此服务器的硬件状态，然后迁移数据，最后释放此服务器的信息。
4、克隆技术：这个技术说起来和上面那个技术很像，但是却不一样。克隆技术是把一台服务器的环境配置好了后可以通过克隆技术使其他的机子都达到和这台机子一样的效果，假如要配置100台甚至1000台服务器的话这种克隆技术是非常可观的。它和动态迁移的区别是在服务器不停机的状态下，动态迁移要求迁移的彼此必须是共享内存的，但是克隆并没有这个限制。
5、灾难恢复技术：灾难恢复是所有大型公司必须考虑的问题，因为当一些意外发生时，比如：突然断电，硬件损坏，洪水，地震，等一系列情况是，如何把灾难所造成的数据损失降到最低甚至是不损失。这要依靠第六条技术。
6、虚拟快照技术：虚拟快照技术是将虚拟机此时的状态像照片一样保存下来，当然我说的很容易，其实现原理需要非常复杂，包括cpu运行状态，内存中的数据等等。这样保存下这些虚拟技术当发生灾难或者某些失误导致虚拟机出问题时，可以很快恢复。
7、改善系统可用性。这里的可用性只得是零 down机，在这种情况下我们才可以使得效率最大化。而零down机的前提是每台服务器必须要有一个镜像，在主虚拟机和次虚拟机之间有一条心跳线来维持两者之间的关系，当心跳线停止时，次虚拟机立马启动，代替主虚拟机。
8、安全性：我们直到虚拟化在硬件层上都有一层VMM来时时刻刻侦测每台虚拟机的动向，包括捕获异常，解决门事件，完成调度等等。所以当一些危险因素来临时由于VMM的存在使得我们可以非常快的侦测到这个问题并解决它。这能比以前的硬件层上面直接是 *** 作系统快速很多。

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