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高性能服务系统构建与实战

作译者：银文杰

出版时间：2017-07 千字数：595 版次：01-01 页数：440

开本：16开装帧： I S B N ：9787121315091

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纸质书定价：￥89.0

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第一部分 前序
第1 章 那些年一起踩的坑 ........................................................................................................ 2
1.1 性能问题 ........................................................................................................................... 2
1.2 可用性问题 ....................................................................................................................... 3
1.3 异常处理问题 ................................................................................................................... 4
1.4 系统间依赖问题 ............................................................................................................... 4
1.5 系统雪崩问题 ................................................................................................................... 7
第2 章 业务系统分解 ............................................................................................................... 9
2.1 负载层技术 ..................................................................................................................... 10
2.2 业务层技术 ..................................................................................................................... 12
2.3 存储层技术 ..................................................................................................................... 13
第二部分 负载层技术与设计
第3 章 Nginx 技术 .................................................................................................................. 16
3.1 Nginx 中的基本技术理论 ............................................................................................... 16
3.1.1 一致性Hash 算法 .................................................................................................................16
3.1.2 轮询与加权轮询 ...................................................................................................................18
3.2 Nginx 的安装和使用 ....................................................................................................... 20
3.3 Nginx 的重要配置讲解 ................................................................................................... 22
3.4 Nginx 的重要设置 ........................................................................................................... 25
3.4.1 use [ kqueue | rtsig | epoll | select | poll ] ................................................................................25
3.4.2 worker_processes 和worker_connections .............................................................................26
3.4.3 max client 的计算方式 ..........................................................................................................29
3.5 Nginx 的常用模块 ........................................................................................................... 30
3.5.1 gzip 压缩模块........................................................................................................................30
3.5.2 rewrite 模块 ...........................................................................................................................32
3.5.3 健康检查模块 .......................................................................................................................34
3.5.4 图片动态缩略模块 ...............................................................................................................37
第4 章 LVS 技术 .................................................................................................................... 41
4.1 网络协议基础知识 ......................................................................................................... 41
4.1.1 链路层报文 ...........................................................................................................................42
4.1.2 网络层IP 报文 ......................................................................................................................42
4.1.3 传输层TCP 报文 ..................................................................................................................44
4.2 LVS 的三种工作方式 ..................................................................................................... 45
4.2.1 LVS-NAT 工作方式 .............................................................................................................45
4.2.2 LVS-DR 工作方式 ................................................................................................................47
4.2.3 LVS-TUN 工作方式 .............................................................................................................49
4.2.4 LVS 调度方式 .......................................................................................................................52
4.3 LVS 设置实战 ................................................................................................................. 53
4.3.1 LVS-NAT 方式设置 .............................................................................................................53
4.3.2 LVS-DR 模式设置 ................................................................................................................57
4.3.3 ipvsadm 参数汇总 .................................................................................................................60
第5 章 其他负载层技术 .......................................................................................................... 63
5.1 DNS 和智能DNS ............................................................................................................ 63
5.2 CDN 网络 ........................................................................................................................ 65
5.3 Keepalived ....................................................................................................................... 67
5.4 不得不提的Tengine ....................................................................................................... 68
第6 章 负载层性能实战 .......................................................................................................... 69
6.1 负载层技术实战场景 ..................................................................................................... 69
6.1.1 负载场景一 ...........................................................................................................................69
6.1.2 负载场景二 ...........................................................................................................................70
6.1.3 负载场景三 ...........................................................................................................................71
6.1.4 负载场景四 ...........................................................................................................................72
6.2 方案一：使用Nginx 初步解决性能瓶颈问题 .............................................................. 72
6.3 方案二：使用LVS + Keepalived + Nginx 增加吞吐量和稳定性 ................................ 74
6.4 方案三：使用DNS 和CDN 网络优化整体性能 .......................................................... 75
第三部分 系统间通信
第7 章 系统间通信：网络I/O 模型 ........................................................................................ 78
7.1 模型 ................................................................................................................................ 78
7.1.1 信息格式 ...............................................................................................................................79
7.1.2 网络协议 ...............................................................................................................................80
7.1.3 通信方式/框架 ......................................................................................................................82
7.2 网络I/O 模型：阻塞模式 .............................................................................................. 82
7.2.1 通信模型概要 .......................................................................................................................82
7.2.2 阻塞模式深入分析 ...............................................................................................................87
7.2.3 问题的根源 ...........................................................................................................................91
7.3 网络I/O 模型：同步非阻塞模式——对阻塞模式的改进 ........................................... 93
7.3.1 首次改进 ...............................................................................................................................97
7.3.2 再次改进 ...............................................................................................................................99
7.3.3 依然存在问题 ..................................................................................................................... 101
7.4 网络I/O 模型：多路复用（I/O Multiplex）............................................................... 101
7.4.1 典型的多路复用I/O 实现 .................................................................................................. 102
7.4.2 Java 对多路复用I/O 技术的支持 ....................................................................................... 103
7.4.3 Java NIO 框架简要设计分析 ............................................................................................. 112
7.4.4 Java 实例改进 ..................................................................................................................... 114
7.4.5 多路复用I/O 的优缺点 ...................................................................................................... 118
7.5 网络I/O 模型：异步I/O .............................................................................................. 119
7.5.1 Java 对AIO 的支持............................................................................................................. 120
7.5.2 Java 提供的 AIO 支持示例 ................................................................................................ 122
7.5.3 还有改进可能 ..................................................................................................................... 128
7.6 第三方组件：Netty ....................................................................................................... 128
7.6.1 为什么需要Netty ............................................................................................................... 129
7.6.2 Netty 快速上手 .................................................................................................................... 130
7.6.3 Netty 中的重要概念 ............................................................................................................ 135
7.7 再次审视Netty 的作用 ................................................................................................. 141
7.7.1 对网络I/O 模型的封装 ...................................................................................................... 142
7.7.2 对数据信息格式的封装 ..................................................................................................... 143
7.7.3 解决了“技术层”框架中的技术问题 .............................................................................. 146
7.7.4 解决半包问题和粘包问题 ................................................................................................. 148
7.8 不得不提的线程池 ....................................................................................................... 152
7.8.1 为什么要使用线程池 ......................................................................................................... 152
7.8.2 线程池基本使用 ................................................................................................................. 155
7.8.3 ThreadPoolExecutor 逻辑结构和工作方式 ........................................................................ 156
7.8.4 线程池的等待队列 ............................................................................................................. 159
7.8.5 拒绝任务 ............................................................................................................................. 165
7.8.6 ThreadPoolExecutor 中常用属性总结 ................................................................................ 168
第8 章 RPC 与系统间调用 ................................................................................................... 170
8.1 RPC 技术原理 ............................................................................................................... 170
8.1.1 什么是RPC ......................................................................................................................... 170
8.1.2 RPC 要素 ............................................................................................................................. 171
8.1.3 更泛化的RPC 定义 ............................................................................................................ 173
8.1.4 典型的RPC 框架介绍 ........................................................................................................ 174
8.1.5 RPC 框架的性能依据 ......................................................................................................... 175
8.2 RPC 实践：Apache Thrift 基本使用 ............................................................................ 176
8.2.1 IDL 格式概要 ...................................................................................................................... 177
8.2.2 简单的Apache Thrift 代码 ................................................................................................. 181
8.3 RPC 实践：Apache Thrift 深入分析 ............................................................................ 185
8.3.1 Apache Thrift 与消息格式 .................................................................................................. 185
8.3.2 Apache Thrift 与通信模型 .................................................................................................. 190
8.3.3 Apache Thrift 与线程池 ...................................................................................................... 193
8.4 RPC 实践：解决异常问题 ........................................................................................... 193
8.4.1 分布式业务的异常解决思路.............................................................................................. 195
8.4.2 事务补偿的简单实现 ......................................................................................................... 201
8.5 SOA 和服务治理 ........................................................................................................... 224
8.5.1 SOA 概述 ............................................................................................................................ 225
8.5.2 ESB 概述 ............................................................................................................................. 227
8.5.3 常见的ESB 产品 ................................................................................................................ 229
8.5.4 服务治理框架 ..................................................................................................................... 231
第9 章 系统间通信：消息队列技术...................................................................................... 237
9.1 消息队列原理 ............................................................................................................... 237
9.1.1 消息 .................................................................................................................................... 237
9.1.2 服务结构 ............................................................................................................................. 238
9.2 消息协议 ....................................................................................................................... 238
9.2.1 XMPP 协议 ......................................................................................................................... 239
9.2.2 Stomp 协议 .......................................................................................................................... 241
9.2.3 MQTT 协议 ......................................................................................................................... 244
9.2.4 AMQP 协议 ......................................................................................................................... 248
9.2.5 不得不提的JMS 规范 ........................................................................................................ 251
9.3 MQ 实践：ActiveMQ 基本概念和使用 ....................................................................... 253
9.3.1 ActiveMQ 的简易安装过程 ................................................................................................ 253
9.3.2 ActiveMQ 的其他命令参数 ................................................................................................ 255
9.3.3 在ActiveMQ 中传递Stomp 消息 ...................................................................................... 256
9.3.4 ActiveMQ 中的Queue 和Topics ........................................................................................ 258
9.3.5 JMS 和协议间转换 ............................................................................................................. 260
9.3.6 持久化消息和非持久化消息.............................................................................................. 266
9.3.7 持续订阅和非持续订阅 ..................................................................................................... 267
9.4 MQ 实践：ActiveMQ 性能优化 .................................................................................. 267
9.4.1 ActiveMQ 性能优化思路 .................................................................................................... 267
9.4.2 ActiveMQ 中的网络配置 .................................................................................................... 268
9.4.3 ActiveMQ 处理规则和优化 ................................................................................................ 273
9.4.4 ActiveMQ 的持久消息存储方案 ........................................................................................ 285
9.5 MQ 实践：ActiveMQ 集群方案 .................................................................................. 299
9.5.1 ActiveMQ 高性能方案 ....................................................................................................... 300
9.5.2 ActiveMQ 高可用方案 ....................................................................................................... 311
9.6 其他MQ技术：Apache Kafka .................................................................................... 321
9.6.1 Kafka 设计概要 ................................................................................................................... 321
9.6.2 Kafka 集群安装：配置过程 ............................................................................................... 333
9.6.3 Kafka 常用命令 ................................................................................................................... 336
第四部分 场景实战
第10 章 场景实战：其他储备知识 ....................................................................................... 340
10.1 数据存储 ..................................................................................................................... 340
10.1.1 块存储 ............................................................................................................................ 341
10.1.2 共享存储/共享文件存储 ................................................................................................ 343
10.1.3 对象存储系统 ................................................................................................................ 344
10.2 磁盘阵列系统 ............................................................................................................. 345
10.2.1 RAID 0 ............................................................................................................................ 346
10.2.2 RAID 1 ............................................................................................................................ 347
10.2.3 RAID 10 和RAID 01 ..................................................................................................... 348
10.2.4 RAID 5 ............................................................................................................................ 349
10.3 NoSQL 技术 ................................................................................................................ 351
第11 章 场景实战：Kafka 与日志采集 ................................................................................. 355
11.1 Kafka 应用场景：场景说明 ....................................................................................... 355
11.2 Kafka 应用场景一：侵入式方案 ............................................................................... 357
11.2.1 设计重点 ........................................................................................................................ 358
11.2.2 编码过程：生产者和业务系统集成 ............................................................................. 361
11.2.3 是否使用Spring Integration-Kafka ................................................................................ 366
11.2.4 编码过程：消费者端 ..................................................................................................... 367
11.3 Kafka 应用场景二：调整侵入式方案 ....................................................................... 371
11.3.1 方案一的问题所在 ......................................................................................................... 371
11.3.2 方案二的解决思路 ......................................................................................................... 371
11.3.3 方案二的主要代码示例 ................................................................................................. 377
11.3.4 其他设计思考 ................................................................................................................ 380
11.3.5 百度站长统计工具 ......................................................................................................... 382
11.4 Kafka 应用场景三：非侵入式方案 ........................................................................... 383
11.4.1 Apache Flume 介绍 ........................................................................................................ 383
11.4.2 设计方案 ........................................................................................................................ 384
11.4.3 配置过程概要 ................................................................................................................ 386
11.4.4 方案三细节说明............................................................................................................. 388
第12 章 场景实战：图片服务 .............................................................................................. 392
12.1 需求场景 ..................................................................................................................... 392
12.2 概要设计阶段 ............................................................................................................. 393
12.2.1 分布式文件系统选型 ..................................................................................................... 394
12.2.2 缓存系统选型 ................................................................................................................ 395
12.2.3 路由层选型 .................................................................................................................... 397
12.2.4 架构设计细化 ................................................................................................................ 400
12.2.5 其他技术选型 ................................................................................................................ 401
12.3 关键技术点考量 ......................................................................................................... 403
12.3.1 责任链模式 .................................................................................................................... 403
12.3.2 Redis 中的数据结构选择 ............................................................................................... 404
12.3.3 使用Spring Boot ............................................................................................................ 406
12.3.4 其他技术特性 ................................................................................................................ 408
12.4 详细设计阶段 ............................................................................................................. 412
12.4.1 位图基本知识 ................................................................................................................ 412
12.4.2 Nginx 中的Proxy Cache 配置 ........................................................................................ 418
12.4.3 责任链进行图片处理 ..................................................................................................... 420
12.4.4 Redis 缓存操作 ............................................................................................................... 423

本书主要的代码示例采用Java 写成，对于一些相对独立章节中的代码，笔者将其整理后形成示例工程。例如实战章节中的日志采集工程、图片服务工程，笔者已经上传到了CSDN的线上资源管理中，可供读者自行下载。本书一共分为四个部分，第一部分对日常开发任务中经常遇到的问题进行了总结，并将这些问题分类，分解出这些问题在整个软件架构中的位置。第二部分、第三部分和读者一起讨论软件架构中的负载层性能设计、业务层性能设计并穿插讲解了一些存储层的设计关注点，其中将详细讨论一些具体的软件/组件应用以及它们的工作原理。第四部分为实践章节，这一部分将基于已经介绍过的知识点和读者一起将它们用于工程实战，对于之前没有涉及的新知识点，也会在其中进行简要说明。
本书大量使用操作系统、Java 知识体系、软件设计中的基础知识，包括但不限于：操作系统线程原理、悲观锁/乐观锁、软件设计模式等。例如本书中至少使用的设计模式包括：命令模式、构建者模式、观察者模式、责任链模式；本书中至少涉及的Java 基础知识包括：有限/无限队列、悲观锁/乐观锁、SPI 规则、concurrent 工具包、状态机；本书还关联至少如下第三方组件：分布式文件系统、Redis、关系型数据库、Keepalived、ZooKeeper。因为篇幅所限，本书并不可能用太多的文字对这些基础知识、第三方组件进行详细介绍，甚至不会专门说明某些技术点。所以本书更适合有一定一线业务系统开发经验的软件工程师阅读，并且在工作过程中使用过Linux 系列操作系统（最好是CentOS），因为本书讲解的知识点、介绍的安装运行方法、讨论的工作原理、描述的操作过程、给出的示例代码环境全部都是基于Linux 操作系统的。如果你想从一名开发人员成长为一名软件架构师，那么本书绝对是你合适的一块“垫脚石”；本书还适合有一定系统运维工作经验的IT 工程师阅读，如果你想完成从传统的IOE系统运维到移动互联网系统领域运维的蜕变，那么本书所介绍的知识也会给你一定的启发。
由于本书内容较丰富，文字讲解部分就占用了相当的篇幅，所以为了尽可能节约篇幅，本书在列举代码段落时往往只保留了主要的代码片段，并以“……”表示代码段落中有省略的片段。另外，如果在代码片段中使用Java 标准注释规范，则将占据多余的空间，所以本书大部分使用了Java 中的单行注释方式对代码目的进行说明。类似成体系的工程示例，如日志采集案例、图片处理案例等，都在相关章节中注明了完整的工程示例下载地址，以便读者查看更详尽的实现方法。最后，本书中多数图片由笔者自行绘制（90%以上），有一部分图片来源于互联网资源，凡是后者笔者都在图片下方进行了明确的说明。
本书成书于笔者对自己博客文章的整理，其中有30%的内容为成书整理时新增。在这个过程中有很多朋友给予笔者帮助，帮助笔者校正博客文章中的错误。特此感谢以下网友（CSDN账号，排名不分先后）：amadis_chen、自然的发呆、thisisgpy、ithub_33423142、shadabing、fyc198610、zkq1989、sinat_25444367、Tony_tec、周创、gongfengying、z3133464733、qq_32159081、weixin_33750642、engyong7723131、白糖、a35946729、zzpapzzp、qq_16387501、LX_871225、littlebugu 。
笔者还要感谢家人，他们都以自己的方式在笔者写作期间默默地给予支持。笔者最后还要特别感谢电子工业出版社博文视点编辑付睿老师和参与本书校对整理工作的各位编辑，没有他们的勤劳付出就不会有本书的出版发行。

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