Golang 搭建 WebSocket 应用（七） - 性能、可用性

在前面的文章中，提到过非功能性需求决定了架构。
今天我们再来考虑一下另外两个非功能性需求：性能和可用性。

前言

关于性能，其实并不是只有我们这个消息推送系统独有的问题。
对于所有的开发者而言，都多多少少会处理过性能相关的问题，比如后端为了减少数据库查询提高并发引入的缓存中间件，如 redis；
又或者如前端一次性渲染大量数据的时候，如果让用户体验更加流畅等。

本文会针对 WebSocket 应用场景下去思考一些可能出现的性能问题以及可行的解决方案。

性能

对于性能，有几个可能导致性能问题的地方：

连接数

连接数过多会导致占用的内存过多，因为对于每一个连接，我们都有两个协程，一个读协程，一个写协程；
同时我们的 Client 结构体中的 send 是一个缓冲通道，它的缓冲区大小也直接影响最终占用的内存大小。

比如，我们目前的创建 Client 实例的代码是下面这样的：

client := &Client{hub: hub, conn: conn, send: make(chan Log, 256), uid: uid}

我们在这里直接为 send 分配了 256 的大小，如果 Log 结构体比较大的话，
它占用的内存就会比较大了（因为最终占用内存 = 连接数 * sizeof(Log) * 256）。

在实际中，我们一般没有那么多等待发送的消息，这个其实可以设置为一个非常小的值，比如 16；
设置为一个小的值的负面影响是，当 send 塞满了 16 条 Log 的时候，发送消息的接口会阻塞：

func send(hub *Hub, w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // ... 其他代码
    // 如果 send 满了，下面这一行会阻塞
	client.send <- messageLog
	hub.pending.Add(int64(1))
}

所以这个数值可能需要根据实际场景来选择一个更加合适的值。

代码本身的问题

比如，我们的代码中其实有一个很常见的性能问题，就是 string 跟 []byte 之间直接强转：

// writePump 方法里面将 string 转 []byte
if err := c.conn.WriteMessage(websocket.TextMessage, []byte(messageLog.Message)); err != nil {
    return
}

至于原因，可以去看看此前的一篇文章《深入理解 go unsafe》 的最后一小节，
简单来说，就是这个转换会产生内存分配，而内存分配会导致一定的性能损耗。而通过 unsafe 就可以实现无损的转换。

除了这个，其他地方也没啥太大的问题了，因为到目前为止，我们的代码还是非常的简单的。

互斥锁

为了保证程序的并发安全，我们在 Hub 中加了一个 sync.Mutex，也就是互斥锁。
在代码中，被 sync.Mutex 的 Lock 保护的代码，在同一时刻只能有一个协程可以执行。

// 推送消息的接口
func send(hub *Hub, w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // ... 其他代码
	// 从 hub 中获取 client
	hub.Lock()
	client, ok := hub.userClients[uid]
	hub.Unlock()
    // ... 其他代码
}

对于上面这种只读的操作，也就是没有对 map 进行写操作，我们依然使用了 sync.Mutex 的 Lock() 来锁定临界区。
这里存在的问题是，其实我们的 hub.userClients 是支持并发读的，只是不能同时读写而已。

所以我们可以考虑将 sync.Mutex 替换为 sync.RWMutex，这样就可以实现并发读了：

// 推送消息的接口
func send(hub *Hub, w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // ... 其他代码
	// 从 hub 中获取 client
	hub.RLock() // 读锁
	client, ok := hub.userClients[uid]
	hub.RUnlock() // 释放读锁
    // ... 其他代码
}

这样做的好处是，当有多个并发的 send 请求的时候，这些并发的 send 请求并不会相互阻塞；
而使用 sync.Mutex 的时候，并发的 send 请求是会相互阻塞的，也就是会导致 send 变成串行的，这样性能无疑会很差。

除此之外，我们在 Hub 的 run 方法中也使用了 sync.Mutex：

case client := <-h.register:
    h.Lock()
    h.clients[client] = true
    h.userClients[client.uid] = client
    h.Unlock()

也就是说，我们将 Client 注册到 Hub 的操作也是串行的。
对于这种场景，其实也有一种解决方法就是分段 map，
也就是将 clients 和 userClients 这两个 map 拆分为多个 map，
然后对于每一个 map 都有一个对应的 sync.Mutex 互斥锁来保证其读写的安全。

但如果要这样做，单单分段还不够，我们的 register 和 unregister 还是只有一个，对于这个问题，
我们可能需要将 register 和 unregister 也分段，最后在 run 方法里面起多个协程来进行处理。
这个实现起来就很复杂了。

其他

由于我们的 Hub 中还有 MessageLogger、错误处理、认证等功能，
在实际中，如果我们有将其替换为自己的实现，可能还得考虑自己的实现中可能存在的性能问题：

type Hub struct {
	messageLogger MessageLogger
	errorHandler  Handler
	authenticator Authenticator
}

可用性

这里主要讨论的是集群部署的情况下，应用存在的一些的问题以及可行的解决方案。关于具体部署上的细节不讨论。

要实现高可用的话，我们就得加机器了，毕竟如果只有一台服务器的话，一旦它宕机了，服务就完全挂了。

由于我们的 WebSocket 应用维持着跟客户端的连接，在单机的时候，客户端连接、推送消息都是在一台机器上的。
这种情况下并没有什么问题，因为推送消息的时候，都可以根据 uid 来找到对应的 WebSocket 连接，从而给客户端推送消息。

而在多台机器的情况下，我们的客户端可能跟不同的服务器产生连接，这个时候一个比较关键的问题是：
如何根据 uid 找到对应的 WebSocket 连接所在的机器？
如果我们推送消息的请求到达的机器上并没有消息关联的 WebSocket 连接，那么我们的消息就无法推送给客户端了。

对于这个问题，一个可行的解决方案是，将 uid 和服务器建立起关联，比如，在用户登录的时候，
就给用户返回一个 WebSocket 服务器的地址，客户端拿到这个地址之后，跟这个服务器建立起 WebSocket 连接，
然后其他应用推送消息的时候，也根据同样的算法将推送消息的请求发送到这个 WebSocket 服务器即可。

总结

最后，再简单回顾一下本文的内容：

• 具体来说，我们的系统中会有下面几个可能的地方会导致产生性能问题：
  • 连接数：一个连接会有两个协程，另外每一个 Client 结构体也会需要一定的缓冲区来缓冲发送给客户端的消息
  • 代码上的性能问题：如 string 跟 []byte 之间转换带来的性能损耗
  • 互斥锁：某些地方可以使用读写锁来提高读的并发量，另外一个办法就是使用分段 map 配合互斥锁
  • 系统本身预留的扩展点中，用户自行实现的代码中可能会存在性能问题
• 要实现高可用就得将系统部署到多台机器上，这个时候需要在 uid 和服务器之间建立起某种关联，以便推送消息的时候可以成功推送给客户端。