为什么go语言适合开发网游服务器端

Python022

为什么go语言适合开发网游服务器端,第1张

前段时间在golang-China读到这个贴:

个人觉得golang十分适合进行网游服务器端开发,写下这篇文章总结一下。

从网游的角度看:

要成功的运营一款网游,很大程度上依赖于玩家自发形成的社区。只有玩家自发形成一个稳定的生态系统,游戏才能持续下去,避免鬼城的出现。而这就需要多次大量导入用户,在同时在线用户量达到某个临界点的时候,才有可能完成。因此,多人同时在线十分有必要。

再来看网游的常见玩法,除了排行榜这类统计和数据汇总的功能外,基本没有需要大量CPU时间的应用。以前的项目里,即时战斗产生的各种伤害计算对CPU的消耗也不大。玩家要完成一次操作,需要通过客户端-服务器端-客户端这样一个来回,为了获得高响应速度,满足玩家体验,服务器端的处理也不能占用太多时间。所以,每次请求对应的CPU占用是比较小的。

网游的IO主要分两个方面,一个是网络IO,一个是磁盘IO。网络IO方面,可以分成美术资源的IO和游戏逻辑指令的IO,这里主要分析游戏逻辑的IO。游戏逻辑的IO跟CPU占用的情况相似,每次请求的字节数很小,但由于多人同时在线,因此并发数相当高。另外,地图信息的广播也会带来比较频繁的网络通信。磁盘IO方面,主要是游戏数据的保存。采用不同的数据库,会有比较大的区别。以前的项目里,就经历了从MySQL转向MongoDB这种内存数据库的过程,磁盘IO不再是瓶颈。总体来说,还是用内存做一级缓冲,避免大量小数据块读写的方案。

针对网游的这些特点,golang的语言特性十分适合开发游戏服务器端。

首先,go语言提供goroutine机制作为原生的并发机制。每个goroutine所需的内存很少,实际应用中可以启动大量的goroutine对并发连接进行响应。goroutine与gevent中的greenlet很相像,遇到IO阻塞的时候,调度器就会自动切换到另一个goroutine执行,保证CPU不会因为IO而发生等待。而goroutine与gevent相比,没有了python底层的GIL限制,就不需要利用多进程来榨取多核机器的性能了。通过设置最大线程数,可以控制go所启动的线程,每个线程执行一个goroutine,让CPU满负载运行。

同时,go语言为goroutine提供了独到的通信机制channel。channel发生读写的时候,也会挂起当前操作channel的goroutine,是一种同步阻塞通信。这样既达到了通信的目的,又实现同步,用CSP模型的观点看,并发模型就是通过一组进程和进程间的事件触发解决任务的。虽然说,主流的编程语言之间,只要是图灵完备的,他们就都能实现相同的功能。但go语言提供的这种协程间通信机制,十分优雅地揭示了协程通信的本质,避免了以往锁的显式使用带给程序员的心理负担,确是一大优势。进行网游开发的程序员,可以将游戏逻辑按照单线程阻塞式的写,不需要额外考虑线程调度的问题,以及线程间数据依赖的问题。因为,线程间的channel通信,已经表达了线程间的数据依赖关系了,而go的调度器会给予妥善的处理。

另外,go语言提供的gc机制,以及对指针的保护式使用,可以大大减轻程序员的开发压力,提高开发效率。

展望未来,我期待go语言社区能够提供更多的goroutine间的隔离机制。个人十分推崇erlang社区的脆崩哲学,推动应用发生预期外行为时,尽早崩溃,再fork出新进程处理新的请求。对于协程机制,需要由程序员保证执行的函数不会发生死循环,导致线程卡死。如果能够定制goroutine所执行函数的最大CPU执行时间,及所能使用的最大内存空间,对于提升系统的鲁棒性,大有裨益。

简单来说, SetMaxHeap 提供了一种可以设置固定触发阈值的 GC (Garbage Collection垃圾回收)方式

官方源码链接 https://go-review.googlesource.com/c/go/+/227767/3

大量临时对象分配导致的 GC 触发频率过高, GC 后实际存活的对象较少,

或者机器内存较充足,希望使用剩余内存,降低 GC 频率的场景

GC 会 STW ( Stop The World ),对于时延敏感场景,在一个周期内连续触发两轮 GC ,那么 STW 和 GC 占用的 CPU 资源都会造成很大的影响, SetMaxHeap 并不一定是完美的,在某些场景下做了些权衡,官方也在进行相关的实验,当前方案仍没有合入主版本。

先看下如果没有 SetMaxHeap ,对于如上所述的场景的解决方案

这里简单说下 GC 的几个值的含义,可通过 GODEBUG=gctrace=1 获得如下数据

这里只关注 128->132->67 MB 135 MB goal ,

分别为 GC开始时内存使用量 ->GC标记完成时内存使用量 ->GC标记完成时的存活内存量 本轮GC标记完成时的 预期 内存使用量(上一轮 GC 完成时确定)

引用 GC peace设计文档 中的一张图来说明

对应关系如下:

简单说下 GC pacing (信用机制)

GC pacing 有两个目标,

那么当一轮 GC 完成时,如何只根据本轮 GC 存活量去实现这两个小目标呢?

这里实际是根据当前的一些数据或状态去 预估 “未来”,所有会存在些误差

首先确定 gc Goalgoal = memstats.heap_marked + memstats.heap_marked*uint64(gcpercent)/100

heap_marked 为本轮 GC 存活量, gcpercent 默认为 100 ,可以通过环境变量 GOGC=100 或者 debug.SetGCPercent(100) 来设置

那么默认情况下 goal = 2 * heap_marked

gc_trigger 是与 goal 相关的一个值( gc_trigger 大约为 goal 的 90% 左右),每轮 GC 标记完成时,会根据 |Ha-Hg| 和实际使用的 cpu 资源 动态调整 gc_trigger 与 goal 的差值

goal 与 gc_trigger 的差值即为,为 GC 期间分配的对象所预留的空间

GC pacing 还会预估下一轮 GC 发生时,需要扫描对象对象的总量,进而换算为下一轮 GC 所需的工作量,进而计算出 mark assist 的值

本轮 GC 触发( gc_trigger ),到本轮的 goal 期间,需要尽力完成 GC mark 标记操作,所以当 GC 期间,某个 goroutine 分配大量内存时,就会被拉去做 mark assist 工作,先进行 GC mark 标记赚取足够的信用值后,才能分配对应大小的对象

根据本轮 GC 存活的内存量( heap_marked )和下一轮 GC 触发的阈值( gc_trigger )计算 sweep assist 的值,本轮 GC 完成,到下一轮 GC 触发( gc_trigger )时,需要尽力完成 sweep 清扫操作

预估下一轮 GC 所需的工作量的方式如下:

继续分析文章开头的问题,如何充分利用剩余内存,降低 GC 频率和 GC 对 CPU 的资源消耗

如上图可以看出, GC 后,存活的对象为 2GB 左右,如果将 gcpercent 设置为 400 ,那么就可以将下一轮 GC 触发阈值提升到 10GB 左右

前面一轮看起来很好,提升了 GC 触发的阈值到 10GB ,但是如果某一轮 GC 后的存活对象到达 2.5GB 的时候,那么下一轮 GC 触发的阈值,将会超过内存阈值,造成 OOM ( Out of Memory ),进而导致程序崩溃。

可以通过 GOGC=off 或者 debug.SetGCPercent(-1) 来关闭 GC

可以通过进程外监控内存使用状态,使用信号触发的方式通知程序,或 ReadMemStats 、或 linkname runtime.heapRetained 等方式进行堆内存使用的监测

可以通过调用 runtime.GC() 或者 debug.FreeOSMemory() 来手动进行 GC 。

这里还需要说几个事情来解释这个方案所存在的问题

通过 GOGC=off 或者 debug.SetGCPercent(-1) 是如何关闭 GC 的?

gc 4 @1.006s 0%: 0.033+5.6+0.024 ms clock, 0.27+4.4/11/25+0.19 ms cpu, 428->428->16 MB, 17592186044415 MB goal, 8 P (forced)

通过 GC trace 可以看出,上面所说的 goal 变成了一个很诡异的值 17592186044415

实际上关闭 GC 后, Go 会将 goal 设置为一个极大值 ^uint64(0) ,那么对应的 GC 触发阈值也被调成了一个极大值,这种处理方式看起来也没什么问题,将阈值调大,预期永远不会再触发 GC

那么如果在关闭 GC 的情况下,手动调用 runtime.GC() 会导致什么呢?

由于 goal 和 gc_trigger 被设置成了极大值, mark assist 和 sweep assist 也会按照这个错误的值去计算,导致工作量预估错误,这一点可以从 trace 中进行证明

可以看到很诡异的 trace 图,这里不做深究,该方案与 GC pacing 信用机制不兼容

记住,不要在关闭 GC 的情况下手动触发 GC ,至少在当前 Go1.14 版本中仍存在这个问题

SetMaxHeap 的实现原理,简单来说是强行控制了 goal 的值

注: SetMaxHeap ,本质上是一个软限制,并不能解决 极端场景 下的 OOM ,可以配合内存监控和 debug.FreeOSMemory() 使用

SetMaxHeap 控制的是堆内存大小, Go 中除了堆内存还分配了如下内存,所以实际使用过程中,与实际硬件内存阈值之间需要留有一部分余量。

对于文章开始所述问题,使用 SetMaxHeap 后,预期的 GC 过程大概是这个样子

简单用法1

该方法简单粗暴,直接将 goal 设置为了固定值

注:通过上文所讲,触发 GC 实际上是 gc_trigger ,所以当阈值设置为 12GB 时,会提前一点触发 GC ,这里为了描述方便,近似认为 gc_trigger=goal

简单用法2

当不关闭 GC 时, SetMaxHeap 的逻辑是, goal 仍按照 gcpercent 进行计算,当 goal 小于 SetMaxHeap 阈值时不进行处理;当 goal 大于 SetMaxHeap 阈值时,将 goal 限制为 SetMaxHeap 阈值

注:通过上文所讲,触发 GC 实际上是 gc_trigger ,所以当阈值设置为 12GB 时,会提前一点触发 GC ,这里为了描述方便,近似认为 gc_trigger=goal

切换到 go1.14 分支,作者选择了 git checkout go1.14.5

选择官方提供的 cherry-pick 方式(可能需要梯子,文件改动不多,我后面会列出具体改动)

git fetch "https://go.googlesource.com/go" refs/changes/67/227767/3 &&git cherry-pick FETCH_HEAD

需要重新编译Go源码

注意点:

下面源码中的官方注释说的比较清楚,在一些关键位置加入了中文注释

入参bytes为要设置的阈值

notify 简单理解为 GC 的策略 发生变化时会向 channel 发送通知,后续源码可以看出“策略”具体指哪些内容

返回值为本次设置之前的 MaxHeap 值

$GOROOT/src/runtime/debug/garbage.go

$GOROOT/src/runtime/mgc.go

注:作者尽量用通俗易懂的语言去解释 Go 的一些机制和 SetMaxHeap 功能,可能有些描述与实现细节不完全一致,如有错误还请指出

gc 与gccgo 都是go语言标准规范的不同实现,两者包含不同的侧重点:

使用成本上gccgo远比gc更高,基于如下原因:

总结:除非真要追求高性能,否则不建议去折腾gccgo

如果一定要折腾,建议思路:基于gcc docker 镜像,编写Dockerfile,安装golang,然后使用 go build -compiler=gccgo 。

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