web压测工具http_load原理分析

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一、前言
http_load是一款测试web服务器性能的开源工具，从下面的网址可以下载到最新版本的http_load：
http://www.acme.com/software/http_load/ （页面实在太简陋……）
十分令人欣慰的是，这个软件一直在保持着更新（不像webbench，已经是十年的老古董了。webbench的源码分析请参考：http://www.iyunv.com/xuning/p/3888699.html ），并且更新频率还蛮高的样子。我在下载了2014年8月2号的版本后，紧接着8月14号再查看，就又有了一个新的版本。这篇文章分析的http load版本是“http_load 02aug2014”，好在每个版本之间差别非常小，本文还是具有较好的通用性的。

二、使用方法
下载并解压缩之后，进入工具的根目录直接make，就可以得到可执行的工具。其使用方法如下图所示：

图中所示的url.txt内容是若干url链接，每行一个，比如：http://127.0.0.1:80/index.html。
详细说明一下使用格式：
./http_load [-checksum] [-throttle] [-proxy host:port] [-verbose] [timeout secs] [-sip sip_file]
         -parallel N | -rate N [-jitter]
         -fetches N | -seconds N
         url_file
选项与参数：
-fetches：总计要访问url的次数，无论成功失败都记为一次，到达数量后程序退出。
-rate：每秒访问的次数（即访问频率），控制性能测试的速度。
-seconds：工具运行的时间，到达seconds设置的时间后程序退出。
-parallel：最大并发访问的数目，控制性能测试的速度。
-verbose：使用该选项后，每60秒会在屏幕上打印一次当前测试的进度信息。
-jitter：该选项必须与-rate同时使用，表示实际的访问频率会在rate设置的值上下随机波动10%的幅度。
-checksum：由于要访问某个url很多次，为了保证每次访问时收到的服务器回包内容都一样，可以采用checksum检查，不一致会在屏幕上输出错误信息。
-cipher：使用SSL层的时候会用到此参数（url是https开头），使用特定的密码集。
-timeout：设置超时时间，以秒为单位，默认为60秒。每超过一次则记为一次超时的连接
-proxy：设置web代理，格式为-proxy host:port
-throttle：限流模式，限制每秒收到的数据量，单位bytes/sec。该模式下默认限制为3360bytes/sec。
-sip：指定一个source ip文件，该文件每一行都是ip+port的形式。
需要特别说明的是，-parallel参数和-rate参数中必须有一个，用于指定发请求包的方式；-fetches和-seconds两个参数必须有一个，用于指定程序的终止条件。

三、与webbench的对比
webbench是另外一款网页性能测试工具

webbench采用多进程发包，最多支持3万并发量，而http_load采用单一进程并行复用方式发包。由于只有一个进程，http_load对于机器资源消耗较小，性能要求不高，但它的劣势就是最大并发量比webbench要少许多，只能达到千的量级。在很多场景中，几千的量级也已经绰绰有余了，因此具体工具的选用还要看实际情况。
我们分别使用webbench和http_load对同一个URL进行压力访问，结果如下。

[horstxu@vps ~/webbench-1.5]$ ./webbench -t 30 -c 1000 http://127.0.0.1:8080/user.png

Webbench - Simple Web Benchmark 1.5

Copyright (c) Radim Kolar 1997-2004, GPL Open Source Software.

Benchmarking: GET http://127.0.0.1:8080/user.png
clients, running 30 sec.

Speed=180340 pages/min, 5268934 bytes/sec.

Requests: 90170 susceed, 0 failed.


[horstxu@vps ~/http_load-02aug2014]$ ./http_load -parallel 1000 -fetches 90000 url.txt   
fetches, 830 max parallel, 1.2933e+08 bytes, in 30.5439 seconds
mean bytes/connection

2946.58 fetches/sec, 4.23424e+06 bytes/sec

msecs/connect: 0.772754 mean, 215 max, 0.025 min

msecs/first-response: 17.2259 mean, 288.007 max, 1.735 min

HTTP response codes:

  code 200 – 90000
如果进行一下换算，webbench测得的页面RPS为180340 pages/min = 3006rps，这与http_load的测试结果2946fetches/sec结果是很接近的，并且，http_load统计数据更加全面，数据校验也更加完善。对于每秒流量数据，webbench的结果是5268934bytes/sec，http_load是4234240bytes/sec。这其中的差别在于，http_load在统计时剔除了http报文的头部（head），而webbench是没有剔除头部的。接下来我们来领略一下http_load的实现原理。

四、工作流程
程序的工作流程可以用下面这幅图来表示，执行时程序主要环节位于流程图中的循环内。http_load为单一进程的程序，因此进程内的所有调用都是非阻塞方式进行， 保证程序的流畅度。程序的执行过程主体在一个大循环当中，不间断进行结束条件的判定和超时判定。时间管理方式是使用拉链式哈希表，超时情况下即运行超时处理函数。


五、原理分析
5.1 程序执行过程解析
如果使用简化的代码来描述上一节所述的流程图，可以参考下图。流程图中的循环也就是主函数中的for循环。在主循环内主要做4件事情。首先，检测当前程序是否满足终止条件，如果满足，则调用结束函数退出程序，否则进行下一步。然后，采用select监听描述符状态，一旦出现可读或可写状态的描述符，则采用handle_connect与handle_read两函数分别进行处理。需要提醒的是，源程序在处理读取socket缓冲区这一段为了完美剔除掉http请求报文的头部，耗费了大量的代码。再然后，循环尾部执行超时检测，检查当前时间有没有超过在哈希表中注册的每一个时间戳，如果超过，则要执行其对应的超时处理函数。具体的时间戳管理方法见下文。源码中共有5种时间戳需要注册，分别对应着5个超时处理函数，请参考图中的超时处理函数集合。

5.2 三个重要的结构体
下图中详细描述了三个源码中最为重要的结构体。首先，程序采用全局变量connections数组控制每一个TCP连接，connections数组中每个元素都是一个指向connection结构体的指针。connection结构体包含了用于记录测试数据的变量，连接状态的控制变量，以及最开始从文件中读取的连接配置信息。第二个结构体为url结构体，在http_load当中，想要请求的url存储在文件内，可以大于一个。这些URL的信息会被读取至由指向url结构体的指针组成的urls数组。请求会随机发向这些数组。相比webbench，http_load的一个优势是它的数据校验环节。每一个url会配有返回请求的checksum值，用于校验每次请求同一个url返回的内容是否一致。第三个结构体是时间管理方法中组成拉链式哈希表的每一个节点。它包含了指向超时处理函数的指针，以及记录超时时间的变量。

5.3 时间戳管理方法
http_load中最为巧妙的就是它的时间管理方法。在该工具中，有很多需要定时触发的地方，比如每隔一段时间输出一份测试进度汇报；链接超过一定时间未响应则记为超时，输出超时错误信息；设定发送频率，每隔一段时间发出一个请求等等。这些时间戳和其超时触发的函数以Timer结构体的形式，全部注册于拉链法构成的哈希表中。每个链表都是以时间戳顺序从早到晚依次排列。这样，在每一个for循环执行超时检测的部分，我们可以很方便地判断出当前时间是否已经超过了时间戳的时间，如果超过，则执行超时处理函数。同时，这样的数据结构也提高了插入新时间戳的效率。


六、结语
http_load与webbench都是很常用的压测工具，如果配合使用，结果做对比，既是对测得结果的校验，也能帮助熟悉两种工具的优劣。http_load的设计思路也可以使用到业务测试工具中来，帮助开发出更高效的压测工具。