简明入门讲义——如何实现可扩展的 Web 服务

@Ian Battaglia on unsplash

一. 服务器

可扩展的应用服务器（Application Server）集群藏身于负载均衡器（Load balance，LB）背后，LB 将负载（即用户请求）平均地分配到各个组或集群的应用服务器上，此时负载均衡器可能运行在 TCP 层（Layer 4），分配请求的方式默认是简单的轮询（Round-Robin），即假设有服务器 A-D，请求依次从 A 分配到 D，列表循环。

现在，小明向你的 Web 服务发起请求，第一个请求可能被分配到服务器 A，第二个请求可能被分配到服务器 C，要求小明每次请求总能获得相同的返回结果，无论请求最终落到哪个服务器上。

不改变设计，可能出现下面的情况，小明发起第一次请求，填完密码登录，提示 3 天内直接进入无需填写密码。结果再次登录时，路由到另一个服务器，又一次提示小明登录！原因很简单，这台服务器上面没有小明的 Session。

这个示例引出了扩展性的第一个黄金法则：每个服务器都包含完全相同的代码库，不在本地磁盘或内存上存储任何与用户相关的数据，例如会话（Session）或个人资料。

怎么实现会话保持（Sticky Session） 是水平扩展服务器中的常见问题。

假设请求随机到任一服务器，则必须有一个中心化的存储服务用来保存 Session，并且所有应用服务器都可以访问。这项存储服务独立于应用服务器之外，可以是持久化的数据库或者缓存。

如果没有额外的存储服务怎么办，假设现在只有负载均衡器和应用服务器？

我们可以让负载均衡器监听 HTTP 层（Layer 7，应用层） 的请求，当小明第一次请求分配到服务器 A 时，产生一个随机数 r，将它写到 Cookie 中随请求返回。当小明再次请求时，负载均衡器层通过一个哈希函数，计算 Cookie 中的随机数 r，请求即可再次路由到服务器 A。

这个方案节省了存储空间，但引入一个问题，服务器 A 挂掉之后，小明还需重新登录，所幸这不是非常关键的数据，还可以接受。但独立存储也存在自己的问题，最明显的，怎么解决单点问题（Single Point Of Failure）？这个后文再谈。

现在你的关键问题是，如何使多个应用服务器发布时都存有同一份代码？可以借助 capistrano 这个开源项目。

将用户数据移出应用服务器，并解决完全相同代码库问题后，就可以打包为服务器镜像进行统一部署了。

二. 数据库

完成第一步用户数据中心化隔离、代码库同步后，不费多大力气就可以添加多个应用服务器，使你的 Web 服务处理大量并发请求。但 Web 服务还是会变慢甚至挂掉，原因就在中心化的数据库上！

最好从一开始就走反范式的数据设计方式，数据库只做简单的写入和查询操作，其他复杂的操作、约束都通过代码解决。这样你的数据库会更容易进行水平扩展，更方便做迁移，单个数据库实例也不需要很大。

否则，数据量一大，迁移、修改等操作，还是会由于数据库外键约束，导致长时间锁表等问题，或者比反范式设计的数据库消耗更多的内存和 CPU，成本与日俱增。

在进行数据库复制（Replication）时，一般使用主从模式（Master-Slave）。这里的主从采用读写分离，主库负责写，从库定时同步主库的数据，接收读请求。当主库挂掉的时候，从库也不能提升为主库。

为了解决这个问题，在主库上引入双主（Master-Master）或者待命（Standby）模式，双主即两个主库（或者两个集群）都可以接收写请求，无论哪一方收到写请求，另一方会立刻同步。待命模式则同一时刻只有一个接收写请求，另一方只做同步。当主库宕机，待命方将自己升为主库，继续提供服务。

当你引入了多个数据库（集群）时，最好不要通过硬编码（Hard-code）来解决故障重连问题，开发同学没必要了解你的架构拓扑，而且在你扩展或者收缩集群的时候，开发同学可不想跟着你加班发布。

这时同样可以引入负载均衡器来解决扩展问题。如果你还需要根据用户名分区操作，比如小明分到了新手区 Z，小红分配到新手区 X，那么负载均衡器可能解决不了，因为 MySQL 请求内容是二进制的，对 LB 是透明的。

你可以引入分库分表的中间件，在代码层面解决。对于业务开发团队而言，这个中间件的处理过程同样是透明的。

但这个时候请求也只是“可用”，还不够快，是时候考虑引入缓存了。

三. 缓存

相同配置下，以 Redis 为例，缓存在读取和写入上要远胜于 MySQL 这样的关系型数据库。建议只使用 Redis 或者 Memcached 这类基于内存的缓存服务，不要使用基于文件的缓存，这会使数据迁移和复制（水平扩展）变得复杂。

保存缓存数据一般有两种方式

请注意，这里不是在讨论缓存更新的模式，如果感兴趣，可以阅读 缓存更新的套路。

其一是基于数据库查询（SQL-Based）来缓存，不难理解，就是把数据库的查询结果保存到缓存中，键名（Key）可以是查询的 SQL 语句哈希，简单粗暴。但这会存在问题，例如前面我们已经用了反范式的设计，尽量避免使用 JOIN 查询，一个语句有时候解决不了查询，怎么办？

这就有第二种方式，直接缓存对象（Object-Based）。一个请求（多次）查询后的数据在代码中“组装”（Assemble）完毕后。例如一个嵌套的数据结构，查询一个小明的个人信息和他的订单，其中订单数组中是一个个独立的订单对象。可以在代码中将数据组装完毕后，直接缓存整个对象。

想想看如果是第一种，你还需要分开缓存多个查询，下次读缓存还要读两次，再组装数据返回给用户，太麻烦了，用户可等不及！

四. 异步

做完了上面的三个步骤，用户可能还在抱怨我不想等！Web 服务的设计可不能像排队买所谓的网红奶茶一样，让一排用户在原地死等。

想象一下你到一个面包店买蛋糕，有这样的情况：

1. 你要的蛋糕已经提前做好了，店员直接给你，交易完成
2. 你要的蛋糕卖完了，新一批晚上才出炉
3. 你要的蛋糕有，但你是给小明祝寿的，上面要有小明寿比南山的字。

情形一对应 Web 服务中的第一种异步模式，提前把内容生产好，等用户消费。典型的场景是个人博客、新闻网站等，提前将 HTML 渲染完毕，通过自动的定时任务或者手动执行脚本将内容上传到服务器，必要的时候配合 CDN（Content Delivery Network）进行加速，用户就可以快速的访问你的网页内容了。

情形二、三你肯定不想在蛋糕店干等，而是希望制作完成的时候，蛋糕店通知你来取就可以了。面包店有自己的订单队列，有些订单可能是加急（加钱）订单，面包店还需要优先处理。这对应 Web 服务中第二种异步方式，将用户的请求转化为异步任务在后台排队处理，用户注册一个监听器，处理完成后就会收到通知了。

相关的服务例如 RabbitMQ、Celery 等等。一旦你发现 Web 服务中有需要等的动作，务必将它异步处理。

参考文献

1. Lecture 9 Scalability Harvard Web Development David Malan(视频)
2. Scalability for Dummies

公众号：程序员的碎碎念