Apache性能提示


Apache是把正确性放在首位、把速度放在其次的通用Web服务器。即使这样,它的性能十分令人满意。
许多站点只有不到10M的出口带宽。Apache能够在这些站点的低端Pentium服务器上全速工作。实际上,
拥有更多带宽的站点出于一些原因(比如大量的CGI和数据库事务处理)需要用一台以上的机器满足带
宽需求。这些原因导致了以往的Apache开发工作集中在正确性和可配置性。  

不幸的是许多人过于重视某些指标,并把它们的原始数据当作评价Web服务器优劣的标准。被普遍接受
标准的是“原始最低性能(bare minimum performance)”,而在这以外的其他速度指标只适用于很
小部分的市场需求。但为了避免Apache在一些市场中受到排挤,我们在Apache1.3上尽了相当的努力,
将它与高端服务器的差距减至最小。  

另有一些人只是想试试这些东东能运行得多快。这些人竭力把Apache最后一滴性能挤出来,他们也想看
看究竟是什么影响了Apache的性能。这篇文章的其余部分就是针对他们而撰的。  

请注意本文适用于Unix上的Apache1.3,部分内容适用于NT平台。目前的Apache尚未在NT上进行优化。
事实上,不同的编程模型使它在NT上的性能表现相当不好。(即POSIX模型。NT借助POSIX子系统模拟
这种编程标准,因此效率很低。Apache2.0抛弃了POSIX直接与操作系统打交道,
性能将有所飞跃——译者注)  

关于硬件平台和操作系统  
最直接影响Web服务器性能的硬件要数RAM。一台Web服务器从不应该访问内存交换区。交换增加了每次
请求的延时,用户将因此认为“不够快”。他们会点击[停止]并重新装载网页,这将进一步增加服务器
的负担。您能够也有必要调节MaxClients,使您的服务器不会衍生太多的子进程而导致交换。  

除此之外的事情就没那么关键了。拥有快速的CPU、快速的网卡和硬盘都可以让您的服务器“足够快”。
其实这足够快个词是需要凭经验去体会的。  

操作系统的选用也是值得斟酌的大问题。普遍的准则是:及时得到操作系统提供商的最新TCP/IP补丁。
迅速涌现的HTTP服务打破了截止到1994年乃至95年的Unix内核中设定的许多假设情况。理想的选择包括
目前的FreeBSD和Linux。  

关于运行时设置(Run-Time Configuration)  
HostnameLookups  
1.3版以前的Apache中,HostnameLookups的缺省值是On,这将导致每次请求时服务器都要进行NDS查询,
从而增加了延迟。Apache1.3将此缺省值设为Off。在1.3及以后的版本中,如果您使用了任何
allow from domain或deny from domain命令,所付出的代价将是两次DNS查询带来的延时(在一次逆向
查询后跟着一次正向查询,以保证前者得到的结果是真实的)。因此为了得到最理想的性能应避免使用
HostnameLookups(使用IP地址而非域名也是个好主意)。  

限制命令的使用范围是可行的,比如使用类似<Location /server-status>的容器。这种情况下,DNS查
询只发生在符合条件的请求中。下面的例子使查询只发生在.html和.cgi文件的请求中:  

HostnameLookups off  
<Files ~ ".(html|cgi){GetProperty(Content)}gt;  
HostnameLookups on  
</Files>  
关闭了DNS查询后,如果在您的CGI程序中需要DNS名称的话,可以考虑在那些程序中调用gethostbyname。  

FollowSymLinks 和 SymLinksIfOwnerMatch  
在任何情况下,只要您没有指定FollowSymLinks的选项(即Options FollowSymLinks),或者指定了
SymLinksIfOwnerMatch选项,Apache将不得不调用额外的系统函数来检查符号链接。每次针对文件名
的请求都将触发一次检查。比如您指定了:  

DocumentRoot /www/htdocs  
<Directory />  
Options SymLinksIfOwnerMatch  
</Directory>  
当一个指向URI /index.html的请求到来时,Apache将对/www,/www/htdocs和/www/htdocs/index.html
分别调用lstat(2)。不仅如此,lstat的结果是从不被缓存的,因此每次请求都要重新这样的检查。如果
您的确需要安全的符号链接的话,可以试着这样做:  

DocumentRoot /www/htdocs  
<Directory />  
Options FollowSymLinks  
</Directory>  
<Directory /www/htdocs>  
Options -FollowSymLinks +SymLinksIfOwnerMatch  
</Directory>  
这至少避免了对DocumentRoot目录本身的检查。请注意,如果在RocumentRoot之外有Alias或者
RewriteRule涉及的目录,您需要为这些目录增加类似的选项。为了在无符号链接检查的情况下得到最
佳性能,请在所有地方设置FollowSymLinks,并去掉所有的SymLinksIfOwnerMatch。  

AllowOverride  
在任何情况下,只要您允许覆盖(通常是.htaccess文件),Apache将试图为每次针对文件名称的请求打
开.htaccess文件。比如:  

DocumentRoot /www/htdocs  
<Directory />  
AllowOverride all  
</Directory>  
当指向URI /index.html的请求到来时,Apache将试图打开
/.htaccess、/www/.htaccess和/www/htdocs/.htaccess。这个问题可以用类似解决FollowSymLinks的方
法解决。为了得到最佳性能,在所有地方使用AllowOverride None。  

内容协商  
如果您对每处细微的性能调节都很在意,在可能的情况下避免内容协商(content-negotiation)。实际
应用中,协商的益处超过了给性能带来的损失。您可以在一种情况下提速服务器:避免使用这样的通配符:  

DirectoryIndex index  
请列出所有可能的情况:  

DirectoryIndex index.cgi index.pl index.shtml index.html  
并把最常用的选择放在前面。  

   

进程的建立  
对于1.3版以前的Apache,MinSpareServers、MaxSpareServers、和StartServers这三个参数对性能测
试的结果有巨大影响。Apache启动后需要一个“爬升”期使其子进程数与服务器的负载相平衡。刚刚
启动的Apache生成StartServers个子进程。而后将每隔一秒生成一个新的子进程,最终达到
MinSpareServers的要求。所以如果服务器用StartServers等于5的默认值启动后被100个客户并发访问,
Apache将用后续的95秒种生成足够的子进程以平衡负载。由于现实中的服务器不经常启动,这种技术
在实际应用中工作得很好。但在评测软件中的表现就不那么出色了,因为这些软件可能顶多运行10分钟。  

一秒一个的规则防止服务器在生成子进程时过于忙碌。如果它忙于繁殖进程,请求将被搁置。但这个
规则对直观性能的影响太大了,它必须有所改观。在Apache 1.3中,一秒一个的规则被废弃了。它首
先衍生一个子进程,等一秒,衍生两个,等一秒,再衍生两个,直到一秒衍生32个子进程。随后它将
保持这个速度直到满足MinSpareServers的要求。  

这看起来足够好了。几乎不用在MinSpareServers、MaxSpareServers或StartServers上费工夫了。当
每秒钟衍生的进程数超过4时,ErrorLog中会增加一条相应的记录。如果您看到了很多这样的提示,请
调整这些参数。mod_status的输出会给您一些提示。  

于进程相关的问题是由MaxRequestsPerChild导致的进程终止。MaxRequestsPerChild缺省地设置为0,
意味每个子进程处理的请求数不受限制。如果当前的设置值非常小,您可能希望大幅度提升这个值。为
了防止内存泄露,在SunOS或者低版本的Solaris上,应把此值设为10000左右。  

如果使用了持续连接(keep-alives),子进程将繁忙等待(busy waiting)已打开连接的后续请求而不
能做其他的事。缺省的15秒种试图使影响将至最底。您需要在网络带宽和服务器资源之间作出权衡。任
何情况下,不应设置持续连接时间超过60秒。否则大部分好处将变成损失。  

关于编译时设置  
mod_status 和 ExtendedStatus On  
如果在编译Apache时您包含了mod_status并且将ExtendedStatus设置为On,Apache将为每个请求进行两
次gettimeofday(2)系统调用(或者针对不同的系统调用times(2))及(在1.3以前的版本)许多次
time(2)。这些都是为了在报告中含有时间戳。为了得到最佳性能,请将ExtendedStatus设为Off(这是
缺省的设置)。  

多socket中的accept 串行化  
这部分文章将讨论Unix socket API不利的一方面。假设您的服务器用多个Listen命令侦听多个端口或
者多个IP地址。Apache使用select(2)检测每个socket连接(connection)是否就绪。select(2)示意有
零个或至少一个连接等待某个socket。Apache含有多个子进程,所有空闲的子进程同时侦听新的连接。
原始的实现如下所示(这个例子不是真正的代码,它出于教学目的被简化了)  

for (;;) {  
for (;;) {  
fd_set accept_fds;  

FD_ZERO (&accept_fds);  
for (i = first_socket; i <= last_socket; ++i) { 
FD_SET (i, &accept_fds); 

rc = select (last_socket+1, &accept_fds, NULL, NULL, NULL); 
if (rc < 1) continue; 
new_connection = -1; 
for (i = first_socket; i <= last_socket; ++i) { 
if (FD_ISSET (i, &accept_fds)) { 
new_connection = accept (i, NULL, NULL); 
if (new_connection != -1) break; 


if (new_connection != -1) break; 

process the new_connection; 

但这种实现会引起严重的饥饿问题。由于多个子进程同时执行这个循环,它们将在select中阻塞。
当任何socket上出现一个请求时,所有被阻塞的进程将复苏,并从select返回(苏醒进程的数量取
决于操作系统和时间)。它们将继续执行并试图接受这个连接,但只有一个进程会成功(假设目前
仍只有一个连接),其余进程将阻塞在accept中。这将把所有失败的进程锁定,使它们只为一个
socket上的请求服务。它们会一直被阻塞,直到在那个socket上出现足够的请求把它们唤醒。这一
饥饿问题首先在PR#467被提出。至少有两种解决它的方法。 

一种方案是使用非阻塞的socket。这种情况下,accept不会阻塞子进程,它们将会立即返回。但这
种方案会造成CPU时间的浪费。假设有十个在select中的空闲进程,而后到来了一个连接请求。九个
进程将苏醒、试图接受连接、失败,并返回select,这些进程实际什么都没做。而且如果在这期间,
其他socket上出现请求,没有哪个进程会为它服务。总而言之,这种方案不是十分有效,除非您拥
有和空闲子进程数目相当的CPU——恐怕不切实际。 

另一种方案被Apache采纳。这种方案串行化(serialize)对内层循环的调用。代码如下所示(改进
的部分被加粗显示): 

for (;;) { 
accept_mutex_on (); 
for (;;) { 
fd_set accept_fds; 

FD_ZERO (&accept_fds); 
for (i = first_socket; i <= last_socket; ++i) { 
FD_SET (i, &accept_fds); 

rc = select (last_socket+1, &accept_fds, NULL, NULL, NULL); 
if (rc < 1) continue; 
new_connection = -1; 
for (i = first_socket; i <= last_socket; ++i) { 
if (FD_ISSET (i, &accept_fds)) { 
new_connection = accept (i, NULL, NULL); 
if (new_connection != -1) break; 


if (new_connection != -1) break; 

accept_mutex_off (); 
process the new_connection; 

  

accept_mutex_on和accept_mutex_off 两个函数实现了互斥量(mutual exclusion semaphore),
在任意时刻只能有一个子进程拥有互斥量。多种方法可以实现互斥量。在src/conf.h(1.3版之前)
或src/include/ap_config.h(1.3版及以后)可以作出以下选择。一些系统不提供任何互斥方法。
在这些系统上使用多个Listen命令是不保险的。 

USE_FLOCK_SERIALIZED_ACCEPT 
此方法用flock(2)系统调用对一个锁文件加锁。(此文件在LockFile命令中指定) 
USE_FCNTL_SERIALIZED_ACCEPT 
此方法用flock(2)系统调用对一个锁文件加锁。(此文件在LockFile命令中指定) 
USE_SYSVSEM_SERIALIZED_ACCEPT 
(1.3版及以后)此方法借助SysV的信号量(semaphores)实现互斥。但不巧的是SysV信号量有一些
负面作用。一是Apache可能在清除信号量之前非正常终止;二是在使用信号量API时需要考虑到任何
与服务器UID相同的CGI程序可以进行拒绝服务攻击(就是说所有的CGI程序都可以这样做,除非使用
suexec或cgiwrapper之类的方法)。所以,这种方法并不被IRIX之外的系统广泛采纳(由于大多数
IRIX系统上,使用前两种方法的代价太大)。 
USE_USLOCK_SERIALIZED_ACCEPT 
(1.3版及以后)此方法仅在IRIX上可用。它调用usconfig(2)创建互斥量。虽然这种方法避免了对
SysV信号量的种种争议,但它不是IRIX的缺省方案。这是由于在单处理器的IRIX系统 (5.3或6.2)上,
uslock代码比SysV信号量慢两个数量级;但在多处理器的IRIX中前者比后者快一个数量级。这无非使
问题复杂化了。所以在多处理器IRIX系统上,您需要用如下的附加参数编译Apache: 
在EXTRA_CFLAGS中添加-DUSE_USLOCK_SERIALIZED_ACCEPT 
USE_PTHREAD_SERIALIZED_ACCEPT 
(1.3版及以后)此方法实现了POSIX标准互斥量。它理应可以工作在任何实现了全部POSIX线程规范的
系统上,但事实是只有在Solaris 2.5或以上的系统及特定的配置中才能工作。如果您尝试这种方法的
话,需要小心服务器挂起或者没有响应。服务器在只输出静态网页的情况下运行得很好。 
如果您的系统上有其他串行化的方法,为它书写代码(并把补丁寄给Apache)是值得的。 

有一个考虑到但从未实现的方案是对循环部分地串行化——即允许一定数目的进程进入循环。在同一时
刻可运行若干进程的多处理器系统上,这个主意是满不错的。而且前面提到的方案并没有充分利用带宽。
可由于高度并行化的服务器实在少见,这个方案的优先级比较低。 

为了得到最佳性能,不用多侦听命令是最理想的。请继续往下看。 

单socket中的accept串行化 
以上言及的方案对多socket服务器是相当不错的,但只有一个socket的情况又如何呢?理论上,由于
在连接请求到来之前所有子进程将阻塞在accept中,单个socket不会产生上述种种问题。但实际上,
上述非阻塞解决方案所带来的“回旋(spinning)”问题在这里只不过被掩盖起来了。在绝大多数TCP
协议栈的实现中,一个接请求到来时内核将唤醒所有阻塞在accept中的进程。它们之一将得到此请求并
返回用户空间,其余的进程将返回内核重新休眠。这将带来与多socket非阻塞解决方案相同的资源浪费。 

由于这点原因,我们发现如果为socket串行化,许多系统表现得更“友好”——即使是一个socket的情
况。这是单个socket串行化作为绝大多数情况的缺省配置的原因。在Linux上不甚精确的
(Linux 2.0.30 / 双Pentium Pro 166 w / 128Mb内存)实验表明,对每次请求而言,串行化的单个
socket仅比没有串行化的socket损失不到3%的性能。但未串行化的socket显示出每次连接请求100毫秒
的延时。这也可能仅仅由于过长的通讯距离造成的。如果您不想串行化单个socket,可以定义宏
SINGLE_LISTEN_UNSERIALIZED_ACCEPT。这样,仅有一个socket的服务器将不会串行化。 

延迟关闭(Lingering Close) 
就象draft-ietf-http-connection-00.txt第8节讨论的那样,为了使服务器能够可靠地实现HTTP协议,
有必要独立地关闭每个方向上的通讯(每个TCP连接有两个方向,每个方向是分别独立的)。这个事实往
往被其他服务器所忽视,而Apache 1.2就已经正确地处理了。 

当这个特性增加到Apache中时却在许多版本的Unix中引起了问题。这是TCP规范的短见造成的——它没有
声明FIN_WAIT_2有超时,但也没有阻止这样的实现。在没有超时的系统中,Apache 1.2将导致许多
socket将永远处于FIN_WAIT_2的状态。这可以简单地用打最新TCP/IP补丁的方法避免。然而在提供商从
不发行补丁的系统上(也就是SunOS4——虽然得到源代码许可证的人可以自己打补丁),我们决定不直
接使用这一特性。 

有两种实现这个特性的办法:一是socket的SO_LINGER选项。但似乎是命中注定,在多数TCP/IP协议栈中
它从来不能正确地实现。即使是在提供了正确实现的平台(即Linux 2.0.31)上,这种方法也要比第二
种方法代价(指CPU时间)高得多。 

大多数情况下,Apache在一个叫lingering_close的函数中实现了它(在 http_main.c)。这个函数大致
如下所示: 

void lingering_close (int s) 

char junk_buffer[2048]; 

/* shutdown the sending side */ 
shutdown (s, 1); 

signal (SIGALRM, lingering_death); 
alarm (30); 

for (;;) { 
select (s for reading, 2 second timeout); 
if (error) break; 
if (s is ready for reading) { 
read (s, junk_buffer, sizeof (junk_buffer)); 
/* just toss away whatever is here */ 

close (s); 

这自然增加了连接结束时的开销,但它是可靠的实现所必需的。随着HTTP/1.1的日益盛行,所有连
接都是持久的,这种开销将被众多的连接请求抵消。如果您想冒险禁止这一特性的话,可以定义宏
NO_LINGCLOSE,但这显然是不被推荐的。实际上,由于在HTTP/1.0中持久的管道式连接越来越普遍,
lingering_close几乎是必须的选择。(管道式连接非常高效,所以您还是希望支持它的吧) 

记分板文件 
Apache利用一种叫做记分板(scoreboard)的技术在父、子进程间通讯。它的理想实现是在共享内
存中。有的操作系统允许我们直接访问共享内存,或者提供它们的确切端口。在这些系统中的典型
实现就是共享内存记分板。其他的系统则将磁盘上的文件作为缺省实现。磁盘文件不仅低效而且不
稳定(又没有什么优势)。请为您的操作系统仔细阅读src/main/conf.h文件,并在其中寻找
USE_MMAP_SCOREBOARD或者USE_SHMGET_SCOREBOARD。定义它们之一(以及相应的HAVE_MMAP和HAVE_SHMGET)
将允许Apache使用共享内存。如果您系统的内存共享机制与众不同,请编辑src/main/http_main.c
并增加Apache所需的挂钩函数(同时请把补丁寄给我们) 

注:直到1.2版,Apache的Linux版才开始使用共享内存。这一疏忽使得以前版本的Apache在Linux上
表现得很不理想。 

DYNAMIC_MODULE_LIMIT 
如果您不打算支持动态加载模块的话(准备榨出最后一滴性能的您可能希望如此),编译服务器时
请设定参数-DDYNAMIC_MODULE_LIMIT=0。这将节省出为动态加载模块而分配的内存。 

附录:对某次跟踪状况的详细分析 
本附录描述了运行在Linux上的Apache 1.3系统调用的跟踪情况。运行时(run-time)配置文件中
除了必要的缺省选项外还增加了: 

<Directory />  
AllowOverride none  
Options FollowSymLinks  
</Directory>  
被请求的文件是一个6K的静态网页,其中不包含特殊内容。对于非静态或者伴随有内容协商的请求,
跟踪结果将有明显的不同(一些情况下会十分晦涩)。我们将首先列出完整的跟踪结果,然后逐条
进行分析。(它是由strace跟踪程序生成的,其他类似的程序包括truss、ktrace和par)

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