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Created zlmediakit的hls高性能之旅 (markdown)
夏楚
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zlmediakit的hls高性能之旅.md
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## 事情的起因
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北京冬奥会前夕，zlmediakit的一位用户完成了iptv系统的迁移; 由于zlmediakit对hls的支持比较完善，支持包括鉴权、统计、溯源等独家特性，所以他把之前的老系统都迁移到zlmediakit上了。
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但是很不幸，在冬奥会开幕式当天，zlmediakit并没有承受起考验，当hls并发数达到3000左右时，zlmediakit线程负载接近100%，延时非常高，整个服务器基本不可用：
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## 思考
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zlmediakit定位是一个通用的流媒体服务器，主要精力聚焦在rtsp/rtmp等协议，对hls的优化并不够重视，hls之前在zlmediakit里面实现方式跟http文件服务器实现方式基本一致，都是通过直接读取文件的方式提供下载。所以当hls播放数比较高时，每个用户播放都需要重新从磁盘读取一遍文件，这时文件io承压，由于磁盘慢速度的特性，不能承载太高的并发数。
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有些朋友可能会问，如果用内存虚拟磁盘能不能提高性能？答案是能，但是由于内存拷贝带宽也存在上限，所以就算hls文件都放在内存目录，每次读取文件也会存在多次memcopy，性能并不能有太大的飞跃。前面冬奥会直播事故那个案例，就是把hls文件放在内存目录，但是也就能承载2000+并发而已。
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## 歧途： sendfile
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为了解决hls并发瓶颈这个问题，我首先思考到的是`sendfile`方案。我们知道，`nginx`作为http服务器的标杆，就支持sendfile这个特性。很早之前，我就听说过`sendfile`多牛逼，它支持直接把文件发送到`socket fd`；而不用通过用户态和内核态的内存互相拷贝，可以大幅提高文件发送的性能。
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我们查看sendfile的资料，有如下介绍：
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于是，在事故反馈当日，2022年春节期间的某天深夜，我在严寒之下光着膀子在zlmediakit中把sendfile特性实现了一遍：
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实现的代码如下：
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```c++
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//HttpFileBody.cpp
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int HttpFileBody::sendFile(int fd) {
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#if defined(__linux__) || defined(__linux)
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off_t off = _file_offset;
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return sendfile(fd, fileno(_fp.get()), &off, _max_size);
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#else
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return -1;
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#endif
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//HttpSession.cpp
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void HttpSession::sendResponse(int code,
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bool bClose,
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const char *pcContentType,
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const HttpSession::KeyValue &header,
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const HttpBody::Ptr &body,
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bool no_content_length ){
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//省略大量代码
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if (typeid(*this) == typeid(HttpSession) && !body->sendFile(getSock()->rawFD())) {
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//http支持sendfile优化
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return;
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}
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GET_CONFIG(uint32_t, sendBufSize, Http::kSendBufSize);
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if (body->remainSize() > sendBufSize) {
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//在非https的情况下，通过sendfile优化文件发送性能
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setSocketFlags();
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}
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//发送http body
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AsyncSenderData::Ptr data = std::make_shared<AsyncSenderData>(shared_from_this(), body, bClose);
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getSock()->setOnFlush([data]() {
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return AsyncSender::onSocketFlushed(data);
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});
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AsyncSender::onSocketFlushed(data);
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}
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```
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由于sendfile只能直接发送文件明文内容，所以并不适用于需要文件加密的https场景；这个优化，https是无法开启的；很遗憾，这次hls事故中，用户恰恰用的就是https-hls。所以本次优化并没起到实质作用（https时关闭sendfile特性是在用户反馈tls解析异常才加上的）。
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## 优化之旅一：共享mmap
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很早之前，zlmediakit已经支持mmap方式发送文件了，但是在本次hls直播事故中，并没有发挥太大的作用，原因有以下几点：
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- 1.每个hls播放器访问的ts文件都是独立的，每访问一次都需要建立一次mmap映射，这样导致其实每次都需要内存从文件加载一次文件到内存，并没有减少磁盘io压力。
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- 2.mmap映射次数太多，导致内存不足，mmap映射失败，则会回退为fread方式。
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- 3.由于hls m3u8索引文件是会一直覆盖重写的，而mmap在文件长度发送变化时，会触发SIGBUS的错误，之前为了修复这个bug，在访问m3u8文件时，zlmediakit会强制采用fread方案。
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于是在sendfile优化方案失败时，我想到了共享mmap方案，其优化思路如下：
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共享mmap方案主要解决以下几个问题：
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- 防止文件多次mmap时被多次加载到内存，降低文件io压力。
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- 防止mmap次数太多，导致mmap失败回退到fread方式。
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- mmap映射内存在http明文传输情况下，直接写socket时不用经过内核用户态间的互相拷贝，可以降低内存带宽压力。
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于是大概在几天后，我新增了该特性：
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实现代码逻辑其实比较简单，同时也比较巧妙，通过弱指针全局记录mmap实例，在无任何访问时，mmap自动回收，其代码如下：
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```c++
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static std::shared_ptr<char> getSharedMmap(const string &file_path, int64_t &file_size) {
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{
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lock_guard<mutex> lck(s_mtx);
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auto it = s_shared_mmap.find(file_path);
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if (it != s_shared_mmap.end()) {
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auto ret = std::get<2>(it->second).lock();
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if (ret) {
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//命中mmap缓存
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file_size = std::get<1>(it->second);
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return ret;
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}
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}
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}
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//打开文件
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std::shared_ptr<FILE> fp(fopen(file_path.data(), "rb"), [](FILE *fp) {
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if (fp) {
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fclose(fp);
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}
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});
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if (!fp) {
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//文件不存在
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file_size = -1;
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return nullptr;
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}
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//获取文件大小
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file_size = File::fileSize(fp.get());
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int fd = fileno(fp.get());
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if (fd < 0) {
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WarnL << "fileno failed:" << get_uv_errmsg(false);
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return nullptr;
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}
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auto ptr = (char *)mmap(NULL, file_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
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if (ptr == MAP_FAILED) {
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WarnL << "mmap " << file_path << " failed:" << get_uv_errmsg(false);
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return nullptr;
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}
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std::shared_ptr<char> ret(ptr, [file_size, fp, file_path](char *ptr) {
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munmap(ptr, file_size);
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delSharedMmap(file_path, ptr);
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});
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{
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lock_guard<mutex> lck(s_mtx);
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s_shared_mmap[file_path] = std::make_tuple(ret.get(), file_size, ret);
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}
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return ret;
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}
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```
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通过本次优化，zlmediakit的hls服务有比较大的性能提升，性能上限大概提升到了6K左右(压测途中还发现拉流压测客户端由于mktime函数导致的性能瓶颈问题，在此不展开描述)，但是还是离预期有些差距：
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> 小插曲: mktime函数导致拉流压测工具性能受限
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## 优化之旅二：去除http cookie互斥锁
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在开启共享mmap后，发现性能上升到6K并发时，还是上不去；于是我登录服务器使用`gdb -p`调试进程，通过`info threads` 查看线程情况，发现大量线程处于阻塞状态，这也就是为什么zlmediakit占用cpu不高，但是并发却上不去的原因：
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为什么这么多线程都处于互斥阻塞状态？zlmediakit在使用互斥锁时，还是比较注意缩小临界区的，一些复杂耗时的操作一般都会放在临界区之外；经过一番思索，我才恍然大悟，原因是:
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> **压测客户端由于是单进程，共享同一份hls cookie，在访问zlmediakit时，这些分布在不同线程的请求，其cookie都相同，导致所有线程同时大规模操作同一个cookie，而操作cookie是要加锁的，于是这些线程疯狂的同时进行锁竞争，虽然不会死锁，但是会花费大量的时间用在锁等待上，导致整体性能降低。**
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虽然在真实使用场景下，用户cookie并不一致，这种几千用户同时访问同一个cookie的情况并不会存在，但是为了考虑不影响hls性能压测，也为了杜绝一切隐患，针对这个问题，我于是对http/hls的cookie机制进行了修改，在操作cookie时，不再上锁：
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之前对cookie上锁属于过度设计，当时目的主要是为了实现在cookie上随意挂载数据。
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## 优化之旅三：hls m3u8文件内存化
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经过上面两次优化，zlmediakit的hls并发能力可以达到8K了，但是当hls播放器个数达到在8K 左右时，zlmediakit的ts切片下载开始超时，可见系统还是存在性能瓶颈，联想到在优化cookie互斥锁时，有线程处于该状态：
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所以我严重怀疑原因是m3u8文件不能使用mmap优化(而是采用fread方式)导致的文件io性能瓶颈问题，后面通过查看函数调用栈发现，果然是这个原因。
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由于m3u8是易变的，使用mmap映射时，如果文件长度发生变化，会导致触发SIGBUS的信号，查看多方资料，此问题无解。所以最后只剩下通过m3u8文件内存化来解决，于是我修好了m3u8文件的http下载方式，改成直接从内存获取：
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## 结果：性能爆炸
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通过上述总共3大优化，我们在压测zlmediakit的hls性能时，随着一点一点增加并发量，发现zlmediakit总是能运行的非常健康，在并发量从10K慢慢增加到30K时，并不会影响ffplay播放的流畅性和效果，以下是压测数据：
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> 压测16K http-hls播放器时，流量大概7.5Gb/s：
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(大概需要32K端口，由于我测试机端口不足，只能最大压测到这个数据)
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> 后面用户再压测了30k https-hls播放器:
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## 后记：用户切生产环境
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在完成hls性能优化后，该用户把所有北美节点的hls流量切到了zlmediakit，
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## 状况又起:
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今天该用户又反馈给我说zlmediakit的内存占用非常高，在30K hls并发时，内存占用30+GB:
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但是用zlmediakit的`getThreadsLoad`接口查看，却发现负载很低：
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同时使用zlmediakit的`getStatistic`接口查看，发现`BufferList`对象个数很高，初步怀疑是由于网络带宽不足导致发送拥塞，内存暴涨，通过询问得知，公网hls访问，确实存在ts文件下载缓慢的问题：
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同时让他通过局域网测试ts下载，却发现非常快：
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后来通过计算，发现确实由于网络带宽瓶颈每个用户积压一个Buffer包，而每个Buffer包用户设置的为1MB，这样算下来，30K用户，确实会积压30GB的发送缓存：
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## 结论
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通过上面的经历，我们发现zlmediakit已经足以支撑30K/50Gb级别的https-hls并发能力, 理论上，http-hls相比https-hls要少1次内存拷贝，和1次加密，性能应该要好很多；那么zlmediakit的性能上限在哪里？天知道！毕竟，我已经没有这么豪华的配置供我压测了；在此，我们先立一个保守的flag吧：
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**单机 100K/100Gb级别 hls并发能力。**
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那其他协议呢？ 我觉得应该不输hls。
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