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Go实战 | 实现http请求排队处理

Go 队列 HTTP 队列
2023-02-26 09:48:40 时间

在高并发场景下，为了降低系统压力，有时候会使用一种让请求排队处理的机制。本文就介绍在Go中是如何实现的。

一、http请求的顺序处理方式

首先，我们看下正常的请求处理逻辑。客户端发送请求，web server接收请求，然后就是处理请求，最后响应给客户端这样一个顺序的逻辑。如下图所示：

代码实现如下：

package main

import (
  "fmt"
  "net/http"
)

func main() {
  myHandler := MyHandler{}

  http.Handle("/", &myHandler)
  
  http.ListenAndServe(":8080", nil)
 }
 
 type MyHandler struct {}
 
 func (h *MyHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
   w.Write([]byte("Hello Go"))
 }

在浏览器中输入http://localhost:8080/， 在页面上显示出“Hello Go”的页面来。

通常情况下，大家在开发web系统的时候，一般都是这么处理请求。接下来我们看在高并发下如何实现让请求进行排队处理。

二、http请求的异步处理方式--排队处理

让http请求进入到队列，我们也称为异步处理方式。其基本思想就是将接收到的请求的上下文（即request和response）以及处理逻辑包装成一个工作单元，然后将其放到队列，然后该工作单元等待消费的工作线程处理该job，处理完成后再返回给客户端。流程如下图：

该实现中会有三个关键的元素：工作执行单元、队列、消费者。下面我们逐一看下各自的职责及实现。

工作单元

该工作单元主要是封装请求的上下文信息（request和response）、请求的处理逻辑以及该工作单元是否被执行完成的状态。

请求的处理逻辑实际上就是原来在顺序处理流程中的具体函数，如果是mvc模式的话就是controller里的一个具体的action。

在Go中实现通信的方式一般是使用通道。所以，在工作单元中有一个通道，当该工作单元执行完具体的处理逻辑后，就往该通道中写入一个消息，以通知主协程该次请求已完成，可以返回给客户端了。

所以，一个http请求的处理逻辑看起来就像是下面这样：

func (h *MyHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  将w和r包装成工作单元job
  将job入队
  等待job执行完成
  本次请求处理完毕
 }

下面我们看下工作单元的具体实现，这里我们将其定义为一个Job结构体：

type Job struct {
    DoneChan  chan struct{}
    handleJob func(j *Job) error //具体的处理逻辑
}

Job结构体中有一个handleJob，其类型是一个函数，即处理请求的逻辑部分。DoneChan通道用来让该单元进行阻塞等待，并当handleJob执行完毕后发送消息通知的。

下面我们再看看该Job的相关行为：

// 消费者从队列中取出该job时 执行具体的处理逻辑
func (job *Job) Execute() error {
    fmt.Println("job start to execute ")
    return job.handleJob(job)
}
// 执行完Execute后，调用该函数以通知主线程中等待的job
func (job *Job) Done() {
    job.DoneChan <- struct{}{}
    close(job.DoneChan)
}

// 工作单元等待自己被消费
func (job *Job) WaitDone() {
    select {
    case <-job.DoneChan:
    return    
    }
 }

队列

队列主要是用来存储工作单元的。是处理请求的主协程和消费协程之间的纽带。队列具有列表、容量、当前元素个数等关键元素组成。如下：

type JobQueue struct {
    mu         sync.Mutex
    noticeChan chan struct{}
    queue      *list.List
    size       int
    capacity   int
}

其行为主要有入队、出队、移除等操作。定义如下：

// 初始化队列
func NewJobQueue(cap int) *JobQueue {
    return &JobQueue{
      capacity: cap,
      queue:    list.New(),
      noticeChan: make(chan struct{}, 1),
    }
 }
 
 // 工作单元入队
 func (q *JobQueue) PushJob(job *Job) {
    q.mu.Lock()
    defer q.mu.Unlock()
    q.size++
    if q.size > q.capacity {
      q.RemoveLeastJob()    
    }

    q.queue.PushBack(job)
    q.noticeChan <- struct{}{}
  }
  
  // 工作单元出队
  func (q *JobQueue) PopJob() *Job {
    q.mu.Lock()
    defer q.mu.Unlock()

    if q.size == 0 {
      return nil  
    }

    q.size--
    return q.queue.Remove(q.queue.Front()).(*Job)
  }
  
  // 移除队列中的最后一个元素。
  // 一般在容量满时，有新job加入时，会移除等待最久的一个job
  func (q *JobQueue) RemoveLeastJob() {
    if q.queue.Len() != 0 {
      back := q.queue.Back()
      abandonJob := back.Value.(*Job)
      abandonJob.Done()
      q.queue.Remove(back)  
    }
  }
  
  // 消费线程监听队列的该通道，查看是否有新的job需要消费
  func (q *JobQueue) waitJob() <-chan struct{} {
      return q.noticeChan
  }
这里我们主要解释一下入队的操作流程：

1 首先是队列的元素个数size++

2 判断size是否超过最大容量capacity

3 若超过最大容量，则将队列中最后一个元素移除。因为该元素等待时间最长，认为是超时的情况。

4 将新接收的工作单元放入到队尾。

5 往noticeChan通道中写入一个消息，以便通知消费协程处理Job。

由以上可知，noticeChan是队列和消费者协程之间的纽带。下面我们来看看消费者的实现。

消费者协程

消费者协程的职责是监听队列，并从队列中获取工作单元，执行工作单元的具体处理逻辑。在实际应用中，可以根据系统的承载能力启用多个消费协程。在本文中，为了方便讲解，我们只启用一个消费协程。

我们定义一个WorkerManager结构体，负责管理具体的消费协程。该WorkerManager有一个属性是工作队列，所有启动的消费协程都需要从该工作队列中获取工作单元。代码实现如下：

type FlowControl struct {
  jobQueue *JobQueue
  wm       *WorkerManager
}

func NewFlowControl() *FlowControl {
  jobQueue := NewJobQueue(10)
  fmt.Println("init job queue success")

  m := NewWorkerManager(jobQueue)
  m.createWorker()
  fmt.Println("init worker success")

  control := &FlowControl{
    jobQueue: jobQueue,
    wm:       m,
  }
  fmt.Println("init flowcontrol success")
  return control
}

func (c *FlowControl) CommitJob(job *Job) {
  c.jobQueue.PushJob(job)
}

在代码中我们可以看到，createWorker中的逻辑实际是一个for循环，然后通过select监听队列的noticeChan通道，当获取到工作单元时，就执行工作单元中的handleJob方法。执行完后，通过job.Done()方法通知在主协程中还等待的job。这样整个流程就形成了闭环。

完整代码

我们现在看下整体的处理流程，如下图：

现在我们写一个测试demo。在这里我们定义了一个全局的flowControl结构体，以作为队列和工作协程的管理。代码如下：

package main

import (
  "container/list"
  "fmt"
  "net/http"
  "sync"
)

func main() {
  flowControl := NewFlowControl()
  myHandler := MyHandler{
    flowControl: flowControl,
  }
  http.Handle("/", &myHandler)

  http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

type MyHandler struct {
  flowControl *FlowControl
}

func (h *MyHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
  fmt.Println("recieve http request")
  job := &Job{
    DoneChan: make(chan struct{}, 1),
    handleJob: func(job *Job) error {
      w.Header().Set("Content-Type", "application/json")
      w.Write([]byte("Hello World"))
      return nil
    },
  }

  h.flowControl.CommitJob(job)
  fmt.Println("commit job to job queue success")
  job.WaitDone()
}

完整的示例代码可以通过git获取：http异步处理

之前有一篇文章是优先级队列，实际上就是该队列的高级实现版本，可以将不同的请求按优先级分配到不同的队列中。有兴趣的同学可参考：Go实战 | 一文带你搞懂从单队列到优先级队列的实现

总结

为了说明其实现思想，本文的实现比较简单。在实际应用中，可以增加多个消费者协程，需要有子协程的管理控制以及错误管理机制等。

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