一. 引言

兩百年前，人們想給遠方的人傳個話，需要十天半個月。互聯網時代，我們只要按下回車，信息秒達，結果秒出。

那你可曾想過，信息傳送為什么可以這么快？

你可能會說，信息以光速級別傳輸，不論是光纖還是4G/5G用的電磁波，那當然快了！

可是，僅僅是光速嗎？那為什么原本掃碼秒出結果的核酸系統，高峰時一個人可能卡十幾分鐘；為什么火車票搶著搶著系統就崩了？

直覺告訴我們，因為用戶多了，而系統應用的承載能力有限。因此，一個成熟的互聯網應用面對海量用戶，是練就了十八般武藝（優化策略）來巧妙應對。

其中有些策略的重要性堪比光速，有些也能在日常生活經驗中找到影子。

二. 整體流程

在介紹優化策略前，有必要對網絡信號的請求流程有個整體印象：

圖1為通過APP控制攝像頭“轉頭”的流程示意圖，大致勾勒了一個信號（網絡請求）的典型旅程。

圖1 網絡傳輸流程

簡單來說，一個網絡請求的耗時主要來自網絡傳輸、數據中心處理。

具體來說，APP上點擊按鈕-->“轉頭”指令等信息，會被轉化為0和1的二進制序列-->手機通過內置天線發射電磁波-->基站-->運營商機房-->通過光纖傳送到千里之外的數據中心（圖1）。

數據中心存放著系統的云端平臺。平臺處理后，將“轉頭”指令發出-->光纖傳輸-->到家中路由器，通過無線信號發給攝像頭-->攝像頭接收信號并轉為0和1的序列-->還原為攝像頭軟件可理解的指令-->操控電機進行旋轉。

圖2 數據中心的平臺組成

一眨眼的功夫，就完成了這么多環節（實際過程遠比此復雜）。

從中可見，光速解決的僅僅是長距離傳輸的耗時問題，如果哪個節點卡住，效率直線下降，就如同短板木桶，盛水能力將大打折扣。

優化策略有很多，本文將介紹其中最為關鍵的4種：索引，緩存，負載均衡，并發。

三. 優化策略

3.1 索引

索引可以說是非常偉大的發明了。用一句話說就是：事先分類排序，到時找起來方便。比如查字典，咱都是按索引查，如果沒索引，從頭找到尾可要累死個人。

數據中心里的數據庫，幾千萬條數據也是司空見慣了。以mysql為例，用的索引方案一般是B+樹，找一條數據1~4次即可找到，耗時約幾十毫秒。而如果沒有索引則需要遍歷，可能十幾秒才能找到，差距達數百倍。

相信大家用過windows自帶的文件搜索，慢得令人無語；如果用everything等軟件則瞬間出結果，正體現了索引的強大威力。（注：windows不是完全不用索引，是沒用合適的索引）

當然索引并非全無代價：占存儲空間；索引樹時常變化，引起性能消耗。雖有代價，但非常值得，正所謂磨刀不誤砍柴工嘛。

計算機的世界，索引無處不在，此處囿于篇幅不展開詳述，若感興趣詳見文末表格。正是每個環節盡可能地用上索引，用巧妙的“速達”取代笨拙的“遍歷”，才讓一次請求盡可能地快。

3.2 緩存

為什么廚房的鹽、味精要從調料盒里舀取，而不從包裝袋里舀？因為從調料盒舀取方便、快。

為什么某東自營的快遞那么快？全國各大倉庫就近發貨嘛。

以上便是計算機緩存的兩種思路：把常用的數據拷貝到速度更快的地方，或離用戶更近的地方，這樣拿數據就快多了。

圖3 計算機各類耗時

上圖是計算機各部件單次訪問的耗時，可見網絡傳輸、硬盤的耗時是大頭，所以這兩者能免則免。

數據中心里，還是以數據庫（Mysql）為例：它的全部數據存在硬盤上，但會將常用的熱點數據拷到內存的緩沖池里，讀寫都在緩沖池，力求減免跟硬盤打交道而拖累整體效率。

這跟咱們寫文檔的情況是一樣的：打開文檔時文字被加載到電腦內存，新寫的文字也記錄到內存。

萬一電腦或程序崩潰卻沒保存，那新寫的可能就丟了，就是因為新寫的還沒來得及存到硬盤上呢（內存斷電后數據會消失，而硬盤不會）。

數據庫則無需擔心，它有額外機制確保數據的改動不丟失，即預寫式日志：每次操作在硬盤里簡單記錄下對硬盤的修改結果，這樣即使沒保存事后也能恢復。

打個不太恰當的比方，就像咱上課除了認真聽還要好好做筆記，即使課后有的忘了，也能根據筆記想起來。

3.3 負載均衡

俗話說得好：人多力量大。負載均衡就是以量取勝，通過增加節點來分攤壓力。生活中，像食堂如果有很多窗口都能排隊，是不是排隊時間就短多了呢？

數據中心里，需要有負載均衡器（如Nginx）來起到對請求分流的作用，將請求轉發到各后端節點。

面對流量高峰，后端節點的數量擴展如今挺方便，只要平臺實現了容器化部署，加節點就是點幾下按鈕的事。

數據庫也能負載均衡，即分庫分表，將一張大表拆分成若干小表，分散到各機器上。正所謂船大難掉頭，改成若干艘小船當然就輕松靈活了。

但分庫分表不是點幾下按鈕就能解決的，它涉及到數據遷移、改代碼、測試、上線。因此數據庫的擴容，需要未雨綢繆，早做謀劃；否則流量高峰期系統可能被沖垮，這樣所有人都用不了了。

3.4 并發

雖說人多力量大，但個體太弱也不行。如何讓個體變強，即如何提升單臺服務器的性能呢？

并發是一種思路。如今的計算機可以同時放歌、聊微信、下載視頻，似乎這對于萬能的計算機是理所當然的。

然而，早期的計算機，同一時間只能運行一個軟件、給一個用戶用，相當不方便。

后來分時操作系統解決了這個問題，原理是將CPU的時間分成一片片（幾十到幾百毫秒），輪流分給不同的軟件使用（此處指單核CPU）。這體現了并發的思想：若干事件微觀上先后輪流進行，但宏觀表現為同時進行。

你可能想，這不是騙人嗎，而且每個軟件的效率會明顯降低吧？

其實，一個軟件（或進程）不是一直占著CPU，很多時候是在休息（即阻塞），比如讀寫硬盤，等待網絡請求的回應。此時CPU閑著也是閑著，拱手讓給其他軟件用豈不美哉。

就如泡茶問題：等水燒開期間去洗茶杯、放茶葉才是明智之舉，而不是等水燒開了再干活。

因此，操作系統的這種時間分片輪流使用的策略，一方面充分利用了CPU；另一方面，即使是一個真的連續干活的任務拆解為若干次分散執行，多數情況下人宏觀上也感知不到微觀層面的這種卡頓。

3.5 CPU

最后補談一個重要因素：CPU。

你可能聽說過現在的軟件可復雜了，動不動幾十萬行代碼。實際上一次網絡請求涉及的代碼也是不計其數，而這一切在短短幾（十）毫秒內就能完成，已經不是人的思維能跟得上的了。

這實際上離不開CPU的高性能。如今常見CPU一秒可以執行幾十億次指令，而它誕生之初只能幾十萬次。如果沒有CPU的高速，互聯網精巧而龐雜的體系也無從談起了。

比如你盯著屏幕的這一刻，無論手機還是電腦，幕后英雄CPU正以我們無法想象的風馳電掣在干各種活。

當然，也不是CPU頻率越高就意味著軟件的性能越好，影響因素有很多，因此相信國產CPU后來居上也是有希望的。

四. 結語

用一個簡圖（圖4）概括本文：光速是“瞬時”傳輸的必要條件；如果用戶多處理不過來，那就通過負載均衡增加節點；每個節點都能利用索引、緩存、并發來大幅提升性能；而CPU，又是鏈路上所有節點能夠快速處理的基礎。

圖4 網絡請求的優化策略

網絡請求的優化策略遠不止上文提到的，還有IO多路復用、池化、批量處理、削峰填谷等等，都不容小覷。

本文提到的網絡鏈路上各環節的優化策略的舉例，匯總如下表：

表1 網絡請求鏈路上各環節的優化策略舉例