高并发程序设计(二)：多进程并发模型

本篇为高并发程序设计系列第二篇，主要内容为：

多进程并发模型

一：模型简介

“进程是操作系统提供的最古老的也是最重要的抽象概念之一。即使可以利用的CPU只有一个，但它们也支持并发操作的能力。它们将一个单独的CPU变换成多个虚拟的CPU。没有进程的抽象，现代计算将不复存在。”

摘录来自: Andrews Tanenbaum. “现代操作系统（原书第3版） (计算机科学丛书)。”

该系列上篇博文提到过，因为CPU的速度越来越快，更多的进程倾向为I/O密集型。而对于I/O密集型进程来说，如果只启动单个进程，则CPU的大部分时间因为等待I/O完成而白白浪费。所以即便只有一个单核CPU，通过启动多个进程来提供服务，可以更高效地利用CPU的计算能力，并发处理多个任务。

另外，如果是在一个多核环境，启动多个进程可以充分利用多核，进行并行运算。

基于以上两个原因，多进程并发模型自然而来。

特点

• 每个进程可以并发处理1个请求，并发能力等于进程数量
• 由操作系统负责进程调度，程序无法控制
• 可以通过操作系统命令影响进程调度优先级

举例

在一台4核服务器上，运行20个PHP进程。 由操作系统负责给某个PHP进程分配某个CPU内核的时间片，实现20个并发处理

二：优缺点

优点

• 并发模型非常简单，由操作系统调度运行稳定强壮
• 非常容易管理
  • 很容易通过操作系统方便的监控，例如每个进程CPU，内存变化状况
  • 很容易通过操作系统管理进程，例如可以通过给进程发送signal，实现各种管理
• 隔离性非常好
  • 一个进程崩溃不会影响其他进程
  • 某进程出现问题的时候，只要杀掉它重启即可，不影响整体服务的可用性
• 代码兼容性极好，不必考虑线程安全问题
• 多进程可以有效利用多核CPU，实现并行处理

缺点

• 独立的地址空间使得进程共享状态信息比较困难。为了共享信息，它们必须使用显示的IPC机制。
• 内存消耗大
  • 每个独立进程都需要加载完整的应用环境，内存消耗超大。(COW技术可以缓解这个问题) 例如: 每个PHP进程物理内存占用为20MB，50个workers，则需要1GB物理内存。
• CPU消耗偏高
  • 多进程并发，需要CPU内核在多个进程间频繁切换， 而进程的上下文切换(context switch)是非常昂贵的。
  • 如果使用IPC来共享状态信息，IPC开销也很高
• 并发处理能力有限
  • 每个进程只能并发处理1个请求
  • 单台服务器启动的进程数有限，并发处理能力无法有效提高
• 只适合处理短请求，不适合处理长请求
  • 如果每个请求都能在很短时间内执行完毕，则不会造成进程被长期阻塞
  • 一旦某个操作特别是IO操作阻塞，就会造成进程阻塞，当大面积IO操作阻塞发生，服务器就无法响应新的请求了
  • 对于无法预知的外部IO操作，应用代码必须设置 timeout参数，以防进程阻塞

参考资料：

1.《现代操作系统》

2.《深入理解计算机系统》

3.Web并发模型粗浅探讨