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一、越来越多的并发连接数
现在的 Web 系统面对的并发连接数在近几年呈现指数增长，高并发成为了一种常态，给 Web 系统带来不小的挑战。以最简单粗暴的方式解决，就是增加 Web 系统的机器和升级硬件配置。虽然现在的硬件越来越便宜，但是一味地通过增加机器来解决并发量的增长，成本是非常高昂的。结合技术优化方案，才是更有效的解决方法。
并发连接数为什么呈指数增长？实际上，从这几年的用户基数上看，这个数量并没有出现指数增长，因此它并非主要原因。主要原因，还是 web 变得更复杂，交互更丰富所导致的。
1. 页面元素增多，交互复杂
Web 页面元素越来越多，更为丰富。更多的资源元素，意味着更多的下载请求。Web 系统的交互越来越复杂，交互场景和次数也大幅增加。以“www.qq.com”的首页为例子，刷新一次，大概会有 244 个请求。并且，在页面打开完成之后，还会有一些定时的查询或者上报请求持续运作。
目前的 Http 请求，为了减少反复的创建和销毁连接行为，通常都建立长连接（Connection keep-alive）。一经建立，这个连接会被保持住一段时间，被后续请求复用。然而，它也带来了另一个新的问题，连接的保持是会占用 Web 系统服务端资源的，如果不充分使用这个连接，会导致资源浪费。长连接被创建后，首批资源传输完毕，之后几乎没有数据交互，一直到超时时间，才会自动释放长连接占据的系统资源。
除此之外，还有一些 Web 需求本身就需要长期保持连接的，例如 Web socket。
2. 主流的本浏览器的连接数在增加
面对越来越丰富的 Web 资源，主流浏览器并发连接数也在增加，同一个域下，早期的浏览器一般只有 1 - 2 个下载连接，而目前的主流浏览器通常在 2 - 6 个。增加浏览器并发连接数目，在需要下载资源比较多的场景下，可以加快页面的加载速度。更多的连接对浏览器加载页面元素是有好处的，在某些连接遭遇“网络阻塞”的情况下，其他正常的下载连接可以继续工作。
这样自然无形增加了 Web 系统后端的压力，更多的下载连接意味着占据了更多的 Web 服务器的资源。而在用户访问高峰期，自热而然就形成了“高并发”场景。这些连接和请求，占据了服务器的大量 CPU 和内存等资源。尤其在资源数目超过 100+ 的网站页面中，使用更多的下载连接，非常有必要。
二、Web 前端优化，降低服务端压力
在缓解“高并发”的压力，需要前端和后端的共同配合优化，才能达到最大效果。在用户第一线的 Web 前端，可以起到减少或者减轻 Http 请求的效果。
1. 减少 Web 请求
常用的实现方法是通过 Http 协议头中的 expire 或 max-age 来控制，将静态内容放入浏览器的本地缓存，在之后的一段时间里，不再请求 Web 服务器，直接使用本地资源。还有 HTML5 中的本地存储技术（LocalStorage），也被作为一个强大的数据本地缓存。
这种方案缓存后，根本不发送请求到 Web 服务器，大幅降低服务器压力，也带来了良好的用户体验。但是，这种方案，对首次访问的用户无效，同时，也影响部分 Web 资源的实时性。
2. 减轻 Web 请求
浏览器的本地缓存是存在过期时间的，一旦过期，就必须重新向服务器请求。这个时候，会有两种情形：
（1）服务器的资源内容没有更新，浏览器请求 Web 资源，服务器回复“可以继续使用本地缓存”。（发生通信，但是 Web 服务器只需要做简单“回复”）
（2）服务器的文件或者内容已经更新，浏览器请求 Web 资源，Web 服务器通过网络传输新的资源内容。（发生通信，Web 服务器需要完成复杂的传输工作）
这里的协商方式是通过 Http 协议的 Last-Modified 或 Etag 来控制，这个时候请求服务器，如果是内容没有发生变更的情况，服务器会返回 304 Not Modified。这样的话，就不需要每次请求 Web 服务器都做复杂的传输完整数据文件的工作，只要简单的 http 应答就可以达到相同的效果。
虽然上述请求，起到“减轻”Web 服务器的压力，但是连接仍然被建立，请求也发生了。
3. 合并页面请求
如果是比较老一些的 Web 开发者，应该会更有印象，在 ajax 盛行之前。页面大部分都是直接输出的，并没有这么多的 ajax 请求，Web 后端将页面内容完全拼凑好了，再返回给前端。那个时候，页面静态化，是一个挺广泛的优化方式。后来，被交互更友好的 ajax 渐渐替代了，一个页面的请求也变得越来越多。
由于移动端的网络（2G/3G）比起 PC 宽带差很多，并且部分手机配置比较低，面对一个超过 100 个请求的网页，加载的速度会缓慢很多。于是，优化的方向又重新回到合并页面元素，减少请求数量：
（1）合并 HTML 展示内容。将 CSS 和 JS 直接嵌入到 HTML 页面内，不通过连接的方式引入。
（2）Ajax 动态内容合并请求。对于动态内容，将 10 次 Ajax 请求合并为 1 次的批量信息查询。
（3）小图片合并，通过 CSS 的偏移量技术 Sprites，将很多小图片合并为一张。这个优化方式，在 PC 端的 Web 优化中，也非常常见。
合并请求，减少了传输数据的次数，也就是相当于将它们从一个一个地请求，变为一次的“批量”请求。上述优化方法，到达“减轻”Web 服务器压力的目的，减少了需要建立的连接。
更多详情见请继续阅读下一页的精彩内容 ：http://www.linuxidc.com/Linux/2015-04/116369p2.htm
三、节约 Web 服务端的内存
前端的优化完成，我们就需要着眼于 Web 服务端本身。内存是 Web 服务器非常重要的资源，更多的内存通常意味着可以同时放入更多的工作任务。就 Web 服务占用内存而言，可以粗略划分：
（1）用来维持连接的基本内存，进程初始化时，会载入一些基础模块到内存。
（2）被传输的数据内容载入到各个缓冲区，占据的内存。
（3）程序执行过程中，申请和使用的内存。
如果维持一个连接，能够尽可能少占用内存，那么我们就可以维持更多的并发连接，从而让 Web 服务器支持更多的并发连接数。
Apache（httpd）是一个成熟并且古老的 Web 服务，而 Apache 的发展和演变，一直在追求做到这一点，它试图不断减少服务占据的内存，以支持更大的并发量。以 Apache 的工作模式的演变为视角，我们一起来看看，它们是如何优化内存的问题的。
1. prefork MPM，多进程工作模式
prefork 是 Apache 最成熟和稳定的工作模式，即使是现在，仍然被广泛使用。主进程生成后，它先完成基础的初始化工作，然后，通过 fork 预先产生一批的子进程（子进程会复制父进程的内存空间，不需要再做基础的初始化工作）。然后等待服务，之所以预先生成，是为了减少频繁创建和销毁进程的开销。多进程的好处，是进程之间的内存数据不会相互干扰，同时，某个进程异常终止也不会影响其他进程。但是，就内存而言，每个 httpd 子进程占用了很多的内存，因为子进程的内存数据是复制父进程的。我们可以粗略认为，这里存在大量的“重复数据”被放在内存中。最终，导致我们能够生成的子进程最大数量是很有限。在面对高并发时，因为有不少 Keep-alive 的长连接，将这些子进程“霸占”住，很可能导致可用子进程耗尽。因此，prefork 并不太适合高并发场景。
- 优点：成熟稳定，兼容所有新老模块。同时，不需要担心线程安全的问题。（例如，我们常用的 mod_php，将 PHP 编译为 Apache 的子模块，就不需要支持线程安全）
- 缺点：一个服务进程占用很多内存。
2. worker MPM，多进程和多线程的混合模式
worker 模式比起 prefork，是使用了多进程和多线程的混合模式。它也预先 fork 了几个子进程（数量很少），然后每个子进程创建一些线程（其中包括一个监听线程）。每个请求过来，会被分配到 1 个线程来服务。线程比起进程会更轻量，因为线程通常会共享父进程的内存空间，因此，内存的占用会减少一些。在高并发的场景下，因为比起 prefork 更省内存，因此会有更多的可用线程。
但是，它并没有解决 Keep-alive 的长连接“霸占”线程的问题，只是对象变成了比较轻量的线程。
有些人会觉得奇怪，那么这里为什么不完全使用多线程呢，还要引入多进程？因为还需要考虑稳定性，如果一个线程挂了，会导致同一个进程下其他正常的子线程都挂了。如果全部采用多线程，某个线程挂掉，就导致整个 Apache 服务“全军覆没”。而目前的工作模式，受影响的只是 Apache 的一部分服务，而不是整个服务。
线程共享父进程的内存空间，减少了内存的占用，却又引起了新的问题。就是“线程安全”，多个线程修改共享资源导致的“竞争行为”，又强迫我们所使用的模块必须支持“线程安全”。因此，它有一定程度上增加 Web 服务的不稳定性。例如，mod_php 所使用的 PHP 拓展，也同样需要支持“线程安全”，否则，不能在该模式下使用。
- 优点：占据更少的内存，高并发下表现更优秀。
- 缺点：必须考虑线程安全的问题，同时锁的引入又增加了 CPU 的开销。
3. event MPM，多进程和多线程的混合模式，引入 Epoll
这个是 Apache 中比较新的模式，在现在的版本（Apache 2.4.10）已经是稳定可用的模式。它和 worker 模式很像，最大的区别在于，它解决了 keep-alive 场景下，长期被占用的线程的资源浪费问题。event MPM 中，会有一个专门的线程来管理这些 keep-alive 类型的线程，当有真实请求过来的时候，将请求传递给服务线程，执行完毕后，又允许它释放。它减少了“占据”连接而又不使用的资源浪费，增强了高并发场景下的请求处理能力。因为减少了“闲等”的线程，线程的数量减少，同等场景下，内存占用会下降一些。
event MPM 在遇到某些不兼容的模块时，会失效，将会回退到 worker 模式，一个工作线程处理一个请求。新版 Apache 官方自带的模块，全部是支持 event MPM 的。注意一点，event MPM 需要 Linux 系统（Linux 2.6+）对 EPoll 的支持，才能启用。Apache 的三种模式中在真实应用场景中，event MPM 是最节约内存的。
4. 使用比较轻量的 Nginx 作为 Web 服务器
虽然 Apache 的不断优化，减少了内存占用，从而增加了处理高并发的能力。但是，正如前面所说，Apache 是一个古老而成熟的 Web 服务，同时，集成很多稳定的模块，是一个比较重的 Web 服务。Nginx 是个比较轻量的 Web 服务，占据的内存天然就少于 Apache。而且，Nginx 通过一个进程来服务于 N 个连接。所使用的方式，并不是 Apache 的增加进程 / 线程来支持更多的连接。对于 Nginx 来说，它少创建了大量的进程 / 线程，减少了很多内存的开销。
静态文件的 QPS 性能压测结果，Nginx 性能大概 3 倍于 Apache 对静态文件的处理。PHP 等动态文件的 QPS，Nginx 的做法通常是通过 FastCGI 的方式和 PHP-FPM 通信的方式完成，PHP 作为一个与之无关的外部服务存在。而 Apache 通常将 PHP 编译为自己的子模块（新版的 Apache 也支持 FastCGI）。PHP 动态文件，Nginx 的表现略逊于 Apache。
5. sendfile 节约内存
Apache、Nginx 等不少 Web 服务，都带有 sendfile 支持的。sendfile 可以减少数据到“用户态内存空间”（用户缓冲区）的拷贝，进而减少内存的占用。当然，很多同学第一个反应当然是问 Why？为了尽可能清楚讲述这个原理，我们就先回 Linux 内核态和用户态的存储空间的交互。
一般情况下，用户态（也就是我们的程序所在的内存空间）是不会直接读写或者操作各种设备（磁盘、网络、终端等），中间通常用内核作为“中间人”，来完成对设备的操作或者读写。
以最简单的磁盘读写例子，从磁盘中读取 A 文件，写入到 B 文件。A 文件数据是从磁盘开始，然后载入到“内核缓冲区”，然后再拷贝到“用户缓冲区”，我们才可以对数据进行处理。写入的时候，也同理，从“用户态缓冲区”载入到“内核缓冲区”，最后写入到磁盘 B 文件。
这样写文件很累吧，于是有人觉得这里可以跳过“用户缓冲区”的拷贝。其实，这就是 MMP（Memory-Mapping，内存映射）的实现，建立一个磁盘空间和内存的直接映射，数据不再复制到“用户态缓冲区”，而是返回一个指向内存空间的指针。于是，我们之前的读写文件例子，就会变成，A 文件数据从磁盘载入到“内核缓冲区”，然后从“内核缓冲区”复制到 B 文件的“内核缓冲区”，B 文件再从”内核缓冲区“写回到磁盘中。这个过程，减少了一次内存拷贝，同时也少内存占用。
好了，回到 sendfile 的话题上来，简单的说，sendfile 的做法和 MMP 类似，就是减少数据从”内核态缓冲区“到”用户态缓冲区“的内存拷贝。
默认的磁盘文件读取，到传输给 socket，流程（不使用 sendfile）是：
使用 sendfile 之后：
这种方式，不仅节省了内存，而且还有 CPU 的开销。
一、越来越多的并发连接数
现在的 Web 系统面对的并发连接数在近几年呈现指数增长，高并发成为了一种常态，给 Web 系统带来不小的挑战。以最简单粗暴的方式解决，就是增加 Web 系统的机器和升级硬件配置。虽然现在的硬件越来越便宜，但是一味地通过增加机器来解决并发量的增长，成本是非常高昂的。结合技术优化方案，才是更有效的解决方法。
并发连接数为什么呈指数增长？实际上，从这几年的用户基数上看，这个数量并没有出现指数增长，因此它并非主要原因。主要原因，还是 web 变得更复杂，交互更丰富所导致的。
1. 页面元素增多，交互复杂
Web 页面元素越来越多，更为丰富。更多的资源元素，意味着更多的下载请求。Web 系统的交互越来越复杂，交互场景和次数也大幅增加。以“www.qq.com”的首页为例子，刷新一次，大概会有 244 个请求。并且，在页面打开完成之后，还会有一些定时的查询或者上报请求持续运作。
目前的 Http 请求，为了减少反复的创建和销毁连接行为，通常都建立长连接（Connection keep-alive）。一经建立，这个连接会被保持住一段时间，被后续请求复用。然而，它也带来了另一个新的问题，连接的保持是会占用 Web 系统服务端资源的，如果不充分使用这个连接，会导致资源浪费。长连接被创建后，首批资源传输完毕，之后几乎没有数据交互，一直到超时时间，才会自动释放长连接占据的系统资源。
除此之外，还有一些 Web 需求本身就需要长期保持连接的，例如 Web socket。
2. 主流的本浏览器的连接数在增加
面对越来越丰富的 Web 资源，主流浏览器并发连接数也在增加，同一个域下，早期的浏览器一般只有 1 - 2 个下载连接，而目前的主流浏览器通常在 2 - 6 个。增加浏览器并发连接数目，在需要下载资源比较多的场景下，可以加快页面的加载速度。更多的连接对浏览器加载页面元素是有好处的，在某些连接遭遇“网络阻塞”的情况下，其他正常的下载连接可以继续工作。
这样自然无形增加了 Web 系统后端的压力，更多的下载连接意味着占据了更多的 Web 服务器的资源。而在用户访问高峰期，自热而然就形成了“高并发”场景。这些连接和请求，占据了服务器的大量 CPU 和内存等资源。尤其在资源数目超过 100+ 的网站页面中，使用更多的下载连接，非常有必要。
二、Web 前端优化，降低服务端压力
在缓解“高并发”的压力，需要前端和后端的共同配合优化，才能达到最大效果。在用户第一线的 Web 前端，可以起到减少或者减轻 Http 请求的效果。
1. 减少 Web 请求
常用的实现方法是通过 Http 协议头中的 expire 或 max-age 来控制，将静态内容放入浏览器的本地缓存，在之后的一段时间里，不再请求 Web 服务器，直接使用本地资源。还有 HTML5 中的本地存储技术（LocalStorage），也被作为一个强大的数据本地缓存。
这种方案缓存后，根本不发送请求到 Web 服务器，大幅降低服务器压力，也带来了良好的用户体验。但是，这种方案，对首次访问的用户无效，同时，也影响部分 Web 资源的实时性。
2. 减轻 Web 请求
浏览器的本地缓存是存在过期时间的，一旦过期，就必须重新向服务器请求。这个时候，会有两种情形：
（1）服务器的资源内容没有更新，浏览器请求 Web 资源，服务器回复“可以继续使用本地缓存”。（发生通信，但是 Web 服务器只需要做简单“回复”）
（2）服务器的文件或者内容已经更新，浏览器请求 Web 资源，Web 服务器通过网络传输新的资源内容。（发生通信，Web 服务器需要完成复杂的传输工作）
这里的协商方式是通过 Http 协议的 Last-Modified 或 Etag 来控制，这个时候请求服务器，如果是内容没有发生变更的情况，服务器会返回 304 Not Modified。这样的话，就不需要每次请求 Web 服务器都做复杂的传输完整数据文件的工作，只要简单的 http 应答就可以达到相同的效果。
虽然上述请求，起到“减轻”Web 服务器的压力，但是连接仍然被建立，请求也发生了。
3. 合并页面请求
如果是比较老一些的 Web 开发者，应该会更有印象，在 ajax 盛行之前。页面大部分都是直接输出的，并没有这么多的 ajax 请求，Web 后端将页面内容完全拼凑好了，再返回给前端。那个时候，页面静态化，是一个挺广泛的优化方式。后来，被交互更友好的 ajax 渐渐替代了，一个页面的请求也变得越来越多。
由于移动端的网络（2G/3G）比起 PC 宽带差很多，并且部分手机配置比较低，面对一个超过 100 个请求的网页，加载的速度会缓慢很多。于是，优化的方向又重新回到合并页面元素，减少请求数量：
（1）合并 HTML 展示内容。将 CSS 和 JS 直接嵌入到 HTML 页面内，不通过连接的方式引入。
（2）Ajax 动态内容合并请求。对于动态内容，将 10 次 Ajax 请求合并为 1 次的批量信息查询。
（3）小图片合并，通过 CSS 的偏移量技术 Sprites，将很多小图片合并为一张。这个优化方式，在 PC 端的 Web 优化中，也非常常见。
合并请求，减少了传输数据的次数，也就是相当于将它们从一个一个地请求，变为一次的“批量”请求。上述优化方法，到达“减轻”Web 服务器压力的目的，减少了需要建立的连接。
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四、节约 Web 服务器的 CPU
对 Web 服务器而言，CPU 是另一个非常核心的系统资源。虽然一般情况下，我们认为业务程序的执行消耗了我们主要 CPU。但是，就 Web 服务程序而言，多线程 / 多进程的上下文切换，也是比较消耗 CPU 资源的。一个进程 / 线程通常不能长期占有 CPU，当发生阻塞或者时间片用完，就无法继续占用 CPU，这个时候，就会发生上下文切换，CPU 时间片从老进程 / 线程切换到新的。除此之外，在并发连接数目很高的场景下，对这些用户建立的连接（socket 文件描述符）状态的轮询和检测，也是比较消耗 CPU 的。
而 Apache 和 Nginx 的发展和演变，也在努力减少 CPU 开销。
1. Select/Poll（Apache 早期版本的 I / O 多路复用）
通常，Web 服务都要维护很多个和用户通信的 socket 文件描述符，I/ O 多路复用，其实就是为了方便对这些文件描述符的管理和检测。Apache 早期版本，是使用 select 的模式，简单的说，就是将这些我们关注的 socket 文件描述符交给内核，让内核告诉我们，那些描述符可操作。Poll 与 select 原理基本相同，因此放在一起，它们之间的区别，就不赘叙了哈。
select/poll 返回的是一个我们之前提交的文件描述符集合（内核将其中可读、可写或者异常状态的 socket 文件描述符的标识位修改了），我们需要通过轮询检查才能获得我们可以操作的文件描述符。在这个过程中，不断重复执行。在实际应用场景中，大部分被我们监控的 socket 文件描述符，都是”空闲的“，也就是说，不能操作。我们对整个集合轮询，就是为了找了少部分我们可以操作的 socket 文件描述符。于是，当我们监控的 socket 文件描述符越多（用户并发连接数越来越多），这个轮询工作，也就越来越沉重，进而导致增大了 CPU 的开销。
如果我们监控的 socket 文件描述符，几乎都是”活跃的“，反而使用这种模式更合适一点。
2. Epoll（新版的 Apache 的 event MPM，Nginx 等支持）
Epoll 是 Linux2.6 开始正式支持的 I / O 多路复用，我们可以理解为它是对 select/poll 的改进。首先，我们同样将我们关注的 socket 文件描述符集合告诉给内核，同时，给它们注册”回调函数“，如果某个 socket 文件准备好了，就通过回调函数通知我们。于是，我们就不需要专门去轮询整个全量的 socket 文件描述符集合，直接可以得到已经可操作的 socket 文件描述符。那么，那些大部分”空闲“的描述符，我们就不遍历了。即使我们监控的 socket 文件描述越来越多，我们轮询的也只是”活跃可操作“的 socket 文件描述符。
其实，有一种极端点的场景，就是我们全部文件描述符几乎都是”活跃“的，这样反而导致了大量回调函数的执行，又增加了 CPU 的开销。但是，就 Web 服务的真实场景，绝大部分时候，都是连接集合中都存在很多”空闲“连接。
3. 线程 / 进程的创建销毁和上下文切换
通常，Apache 某一个时间内，是一个进程 / 线程服务于一个连接。于是，Apache 就有很多的进程 / 线程，服务于很多的连接。Web 服务在高峰期，会建立很多的进程 / 线程，也就带来很多的上下文切换开销。而 Nginx，它通常只有 1 个 master 主进程和几个 worker 子进程，然后，1 个 worker 进程服务很多个连接，进而节省了 CPU 的上下文切换开销。
两种模式虽然不同，但实际上不能直接出分好坏，综合来说，各有各自的优势，就不妄议了哈。
4. 多线程下的锁对 CPU 的开销
Apache 中的 worker 和 event 模式，都有采用多线程。多线程因为共享父进程的内存空间，在访问共享数据的时候，就会产生竞争，也就是线程安全问题。因此通常会引入锁（Linux 下比较常用的线程相关的锁有互斥量 metux，读写锁 rwlock 等），成功获取锁的线程可以继续执行，获取失败的通常选择阻塞等待。引入锁的机制，程序的复杂度往往增加不少，同时还有线程“死锁”或者“饿死”的风险（多进程在访问进程间共享资源的时候，也有同样的问题）。
死锁现象（两个线程彼此锁住对方想要获取的资源，相互阻塞等待，永远无法达不到满足条件）：
饿死现象（某个线程，一直获取不到它想要锁资源，永远无法执行下一步）：
为了避免这些锁导致的问题，就不得不加大程序的复杂度，解决方案一般有：
（1）对资源的加锁，根据约定好的顺序，大家都先对共享资源 X 加锁，加锁成功之后才能加锁共享资源 Y。
（2）如果线程占有资源 X，却加锁资源 Y 失败，则放弃加锁，同时也释放掉之前占有的资源 X。
在使用 PHP 的时候，在 Apache 的 worker 和 event 模式下，也必须兼容线程安全。通常，新版本的 PHP 官方库是没有线程安全方面的问题，需要关注的是第三方扩展。PHP 实现线程安全，不是通过锁的方式实现的。而是为每个线程独立申请一份全局变量的副本，相当于线程的私人内存空间，但是这样做相对消耗多一些内存。不过，这样的好处，是不需要引入复杂的锁机制实现，也避免了锁机制对 CPU 的开销。
这里顺便提到一下，经常和 Nginx 搭配工作的 PHP-FPM（FastCGI）使用的是多进程，因此不会有线程安全的问题。
五、小结
可能有些同学看完之后，会得出结论，Nginx+PHP-FPM 的工作方式，似乎是最节省系统资源的 Web 系统工作方式。某种程度上说，的确是可以这么说的，但是 Web 系统的搭建，需要从实际业务应用的角度出发，具体问题需要具体分析，寻求最合适的技术方案。
Web 服务的不断演变和发展，努力地追求用尽可能少的系统资源，来支撑更多的用户请求，这是一条波澜壮阔的前进之路。这些技术方案，汇聚了很多值得学习和借鉴的解决问题的思路。
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