网络性能优化

理解网络性能优化的核心目标

网络性能优化的核心在于减少延迟、提高吞吐量、降低资源消耗。对于Node.js应用来说，这意味着要优化I/O操作、减少CPU密集型任务、合理利用缓存。一个典型的例子是，当处理HTTP请求时，同步阻塞操作会导致整个事件循环停滞，而异步非阻塞模式则能保持高并发。

// 糟糕的同步代码示例
const fs = require('fs');
const data = fs.readFileSync('/path/to/file'); // 阻塞事件循环

// 优化的异步版本
fs.readFile('/path/to/file', (err, data) => {
  // 非阻塞处理
});

优化HTTP服务器配置

Node.js内置的http模块虽然简单，但默认配置可能不适合生产环境。调整TCP参数和HTTP头可以显著提升性能：

const http = require('http');
const server = http.createServer((req, res) => {
  res.setHeader('Connection', 'keep-alive');
  res.setHeader('Keep-Alive', 'timeout=30');
  // 业务逻辑
});

server.listen(3000);
server.keepAliveTimeout = 30000; // 30秒

关键配置项包括：

• keepAliveTimeout：保持TCP连接存活的时间
• headersTimeout：等待HTTP头完成的超时时间
• maxHeadersCount：限制请求头数量防止DDoS

高效处理静态资源

静态资源处理不当会消耗大量CPU和I/O资源。推荐的做法是：

1. 使用CDN分发静态内容
2. 实现强缓存和协商缓存
3. 启用gzip/brotli压缩

const zlib = require('zlib');
const fs = require('fs');
const http = require('http');

http.createServer((req, res) => {
  const raw = fs.createReadStream('./static/image.png');
  res.setHeader('Content-Encoding', 'gzip');
  raw.pipe(zlib.createGzip()).pipe(res);
}).listen(3000);

缓存策略示例：

Cache-Control: public, max-age=31536000, immutable
ETag: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

数据库查询优化

数据库往往是性能瓶颈所在。针对MongoDB的优化建议：

// 避免全表扫描
db.collection.find({ indexField: value }).explain("executionStats");

// 使用投影减少数据传输
db.collection.find({}, { name: 1, age: 1 });

// 批量操作替代循环
await Model.insertMany([...array]);

MySQL优化技巧：

• 添加合适的索引
• 使用连接池管理连接
• 预处理语句防止SQL注入

const pool = mysql.createPool({
  connectionLimit: 10,
  host: 'localhost',
  user: 'root',
  password: 'password',
  database: 'test'
});

集群模式与负载均衡

利用多核CPU需要启动集群：

const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  const cpuCount = os.cpus().length;
  for (let i = 0; i < cpuCount; i++) {
    cluster.fork();
  }
} else {
  require('./server'); // 启动应用
}

更高级的方案是使用PM2进程管理器：

pm2 start app.js -i max --watch

实时监控与性能分析

性能优化需要数据支撑。关键工具包括：

1. Node.js内置性能钩子

const { PerformanceObserver, performance } = require('perf_hooks');

const obs = new PerformanceObserver((items) => {
  console.log(items.getEntries()[0].duration);
  performance.clearMarks();
});
obs.observe({ entryTypes: ['measure'] });

performance.mark('A');
// 需要测量的代码
performance.mark('B');
performance.measure('A to B', 'A', 'B');

2. Clinic.js诊断工具

clinic doctor -- node server.js

3. APM工具如New Relic或Datadog

流处理与背压控制

处理大文件或数据流时，必须正确处理背压：

const fs = require('fs');
const zlib = require('zlib');

// 正确的流处理方式
fs.createReadStream('input.txt')
  .pipe(zlib.createGzip())
  .pipe(fs.createWriteStream('output.txt.gz'))
  .on('finish', () => console.log('Done'));

错误处理示例：

stream.on('error', (err) => {
  console.error('Stream error:', err);
  // 实现重试或回退逻辑
});

内存管理与垃圾回收

Node.js内存泄漏常见原因：

• 全局变量累积
• 未清理的定时器
• 闭包引用

使用heapdump分析内存：

const heapdump = require('heapdump');

setInterval(() => {
  if (process.memoryUsage().heapUsed > 500 * 1024 * 1024) {
    heapdump.writeSnapshot();
  }
}, 5000);

优化建议：

• 使用Buffer池复用内存
• 限制日志文件大小
• 监控堆内存使用情况

微服务架构下的网络优化

在微服务场景中，需要特别注意：

1. gRPC替代REST API

syntax = "proto3";

service ProductService {
  rpc GetProduct (ProductRequest) returns (ProductResponse);
}

message ProductRequest {
  int32 id = 1;
}

message ProductResponse {
  int32 id = 1;
  string name = 2;
  double price = 3;
}

2. 服务网格中的智能路由

# Istio VirtualService示例
apiVersion: networking.istio.io/v1alpha3
kind: VirtualService
metadata:
  name: product-service
spec:
  hosts:
  - products
  http:
  - route:
    - destination:
        host: products
        subset: v1
      weight: 90
    - destination:
        host: products
        subset: v2
      weight: 10

前端与Node.js的协同优化

前后端协作的优化点：

1. 服务端渲染(SSR)缓存策略

const renderCache = new LRU({
  max: 100,
  maxAge: 1000 * 60 * 15 // 15分钟
});

app.get('*', (req, res) => {
  const cacheKey = req.url;
  if (renderCache.has(cacheKey)) {
    return res.send(renderCache.get(cacheKey));
  }
  
  renderToString(app).then(html => {
    renderCache.set(cacheKey, html);
    res.send(html);
  });
});

2. GraphQL查询优化

query {
  user(id: 123) {
    name
    email
    posts(limit: 5) {
      title
      comments(limit: 3) {
        content
      }
    }
  }
}

安全与性能的平衡

安全措施可能影响性能，需要权衡：

1. 合理的HTTPS配置

const https = require('https');
const fs = require('fs');

const options = {
  key: fs.readFileSync('server.key'),
  cert: fs.readFileSync('server.crt'),
  ciphers: [
    'ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384',
    'ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384'
  ].join(':'),
  honorCipherOrder: true,
  minVersion: 'TLSv1.2'
};

https.createServer(options, app).listen(443);

2. 速率限制实现

const rateLimit = require('express-rate-limit');

const limiter = rateLimit({
  windowMs: 15 * 60 * 1000, // 15分钟
  max: 100 // 每个IP限制100次请求
});

app.use('/api/', limiter);

现代JavaScript特性利用

ES6+特性可以提升执行效率：

1. 使用Promise.all优化IO等待

async function fetchAllData() {
  const [users, products] = await Promise.all([
    fetch('/api/users'),
    fetch('/api/products')
  ]);
  // 并行处理
}

2. Worker线程处理CPU密集型任务

const { Worker } = require('worker_threads');

function runService(workerData) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    const worker = new Worker('./worker.js', { workerData });
    worker.on('message', resolve);
    worker.on('error', reject);
  });
}

部署环境的最佳实践

生产环境配置建议：

1. 调整Linux系统参数

# 增加文件描述符限制
ulimit -n 100000

# 调整TCP参数
sysctl -w net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
sysctl -w net.core.somaxconn=65535

2. Docker优化配置

FROM node:16-alpine

WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm ci --production

COPY . .

USER node
EXPOSE 3000
CMD ["node", "--max-old-space-size=4096", "server.js"]

性能优化模式与反模式

常见优化模式：

• 连接池复用数据库连接
• 预处理编译正则表达式
• 使用对象池避免频繁GC

需要避免的反模式：

// 反模式：在热路径中使用同步操作
app.get('/data', (req, res) => {
  const data = JSON.parse(fs.readFileSync('data.json'));
  res.json(data);
});

// 反模式：未处理的Promise拒绝
app.get('/async', async (req, res) => {
  const result = await someAsyncOp(); // 没有try-catch
  res.send(result);
});