從操作系統(tǒng)層面理解Linux下的網(wǎng)絡(luò)IO模型

I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O。

計算機(jī)世界里的速度鄙視：

• 內(nèi)存讀數(shù)據(jù)：納秒級別。
• 千兆網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)：微妙級別。1微秒=1000納秒，網(wǎng)卡比內(nèi)存慢了千倍。
• 磁盤讀數(shù)據(jù)：毫秒級別。1毫秒=10萬納秒 ，硬盤比內(nèi)存慢了10萬倍。
• CPU一個時鐘周期1納秒上下，內(nèi)存算是比較接近CPU的，其他都等不起。

CPU 處理數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)大于I/O準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的速度 。

任何編程語言都會遇到這種CPU處理速度和I/O速度不匹配的問題!

在網(wǎng)絡(luò)編程中如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)I/O優(yōu)化：怎么高效地利用CPU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理？？？

一、相關(guān)概念

從操作系統(tǒng)層面怎么理解網(wǎng)絡(luò)I/O呢？計算機(jī)的世界有一套自己定義的概念。如果不明白這些概念，就無法真正明白技術(shù)的設(shè)計思路和本質(zhì)。所以在我看來，這些概念是了解技術(shù)和計算機(jī)世界的基礎(chǔ)。

1.1 同步與異步，阻塞與非阻塞

理解網(wǎng)絡(luò)I/O避不開的話題：同步與異步，阻塞與非阻塞。

拿山治燒水舉例來說，(山治的行為好比用戶程序，燒水好比內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這么理解。

• 同步/異步關(guān)注的是水燒開之后需不需要我來處理。
• 阻塞/非阻塞關(guān)注的是在水燒開的這段時間是不是干了其他事。

1.1.1 同步阻塞

點火后，傻等，不等到水開堅決不干任何事（阻塞），水開了關(guān)火（同步）。

1.1.2 同步非阻塞

點火后，去看電視（非阻塞），時不時看水開了沒有，水開后關(guān)火（同步）。

1.1.3 異步阻塞

按下開關(guān)后，傻等水開（阻塞），水開后自動斷電（異步）。

網(wǎng)絡(luò)編程中不存在的模型。

1.1.4 異步非阻塞

按下開關(guān)后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動斷電（異步）。

1.2 內(nèi)核空間 、用戶空間

• 內(nèi)核負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)和文件數(shù)據(jù)的讀寫。
• 用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用獲得網(wǎng)絡(luò)和文件的數(shù)據(jù)。

1.2.1 內(nèi)核態(tài) 用戶態(tài)

• 程序為讀寫數(shù)據(jù)不得不發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用。
• 通過系統(tǒng)調(diào)用接口，線程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核讀寫數(shù)據(jù)后，再切換回來。
• 進(jìn)程或線程的不同空間狀態(tài)。

1.2.2 線程的切換

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗時，費資源（內(nèi)存、CPU）

優(yōu)化建議：

• 更少的切換。
• 共享空間。

1.3 套接字 – socket

• 有了套接字，才可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。
• 應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用socket(),建立連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)（I / O）。
• SOCKET 支持了非阻塞，應(yīng)用程序才能非阻塞調(diào)用，支持了異步，應(yīng)用程序才能異步調(diào)用

1.4 文件描述符 –FD 句柄

網(wǎng)絡(luò)編程都需要知道FD？？？ FD是個什么鬼？？？

Linux：萬物都是文件，F(xiàn)D就是文件的引用。像不像JAVA中萬物都是對象?程序中操作的是對象的引用。JAVA中創(chuàng)建對象的個數(shù)有內(nèi)存的限制，同樣FD的個數(shù)也是有限制的。

Linux在處理文件和網(wǎng)絡(luò)連接時，都需要打開和關(guān)閉FD。

每個進(jìn)程都會有默認(rèn)的FD：

• 0 標(biāo)準(zhǔn)輸入 stdin
• 1 標(biāo)準(zhǔn)輸出 stdout
• 2 錯誤輸出 stderr

1.5 服務(wù)端處理網(wǎng)絡(luò)請求的過程

• 連接建立后。
• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好（CPU 閑置）。
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中（CPU閑置）。

怎么優(yōu)化呢？

對于一次I/O訪問（以read舉例），數(shù)據(jù)會先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)，然后才會從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。

所以說，當(dāng)一個read操作發(fā)生時，它會經(jīng)歷兩個階段：

• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)。
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

正是因為這兩個階段，Linux系統(tǒng)升級迭代中出現(xiàn)了下面三種網(wǎng)絡(luò)模式的解決方案。

二、IO模型介紹

2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O

簡介：最原始的網(wǎng)絡(luò)I/O模型。進(jìn)程會一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成。

缺點：高并發(fā)時，服務(wù)端與客戶端對等連接，線程多帶來的問題：

• CPU資源浪費，上下文切換。
• 內(nèi)存成本幾何上升，JVM一個線程的成本約1MB。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket();
        ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));
        int idx =0;
        while (true) {
            final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法
            new Thread(() -> {
                handle(socket);
            },"線程["+idx+"]" ).start();
        }
    }

    static void handle(Socket socket) {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        try {
            String serverMsg = "  server sss[ 線程："+ Thread.currentThread().getName() +"]";
            socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法
            socket.getOutputStream().flush();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } 
    }

2.2 非阻塞 I/O - Non Blocking IO

簡介：進(jìn)程反復(fù)系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回結(jié)果。

缺點：當(dāng)進(jìn)程有1000fds,代表用戶進(jìn)程輪詢發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用1000次kernel，來回的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，成本幾何上升。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open();
        ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));
        System.out.println(" NIO server started ... ");
        ss.configureBlocking(false);
        int idx =0;
        while (true) {
            final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法
            new Thread(() -> {
                handle(socket);
            },"線程["+idx+"]" ).start();
        }
    }
    static void handle(SocketChannel socket) {
        try {
            socket.configureBlocking(false);
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            socket.read(byteBuffer);
            byteBuffer.flip();
            System.out.println("請求：" + new String(byteBuffer.array()));
            String resp = "服務(wù)器響應(yīng)";
            byteBuffer.get(resp.getBytes());
            socket.write(byteBuffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

2.3 I/O 多路復(fù)用 - IO multiplexing

簡介：單個線程就可以同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接。內(nèi)核負(fù)責(zé)輪詢所有socket，當(dāng)某個socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程。多路復(fù)用在Linux內(nèi)核代碼迭代過程中依次支持了三種調(diào)用，即SELECT、POLL、EPOLL三種多路復(fù)用的網(wǎng)絡(luò)I/O模型。下文將畫圖結(jié)合Java代碼解釋。

2.3.1 I/O 多路復(fù)用- select

簡介：有連接請求抵達(dá)了再檢查處理。

缺點：

• 句柄上限- 默認(rèn)打開的FD有限制,1024個。
• 重復(fù)初始化-每次調(diào)用 select()，需要把 fd 集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核進(jìn)行遍歷。
• 逐個排查所有FD狀態(tài)效率不高。

服務(wù)端的select 就像一塊布滿插口的插排，client端的連接連上其中一個插口，建立了一個通道，然后再在通道依次注冊讀寫事件。一個就緒、讀或?qū)懯录幚頃r一定記得刪除，要不下次還能處理。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));
        ssc.configureBlocking(false);//設(shè)置非阻塞
        System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress());
        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注冊關(guān)心的事件 就緒
        while(true) {
            selector.select();
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
            while(it.hasNext()) {
                SelectionKey key = it.next();
                it.remove();//處理的事件，必須刪除
                handle(key);
            }
        }
    }
    private static void handle(SelectionKey key) throws IOException {
        if(key.isAcceptable()) {
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);//設(shè)置非阻塞
                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注冊關(guān)心的事件 可讀
        } else if (key.isReadable()) { //flip
            SocketChannel sc = null;
                sc = (SocketChannel)key.channel();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
                buffer.clear();
                int len = sc.read(buffer);
                if(len != -1) {
                    System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len));
                }
                ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());
                sc.write(bufferToWrite);
        }
    }

2.3.2 I/O 多路復(fù)用 – poll

簡介：設(shè)計新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(鏈表)提供使用效率。

poll和select相比在本質(zhì)上變化不大，只是poll沒有了select方式的最大文件描述符數(shù)量的限制。

缺點：逐個排查所有FD狀態(tài)效率不高。

2.3.3 I/O 多路復(fù)用- epoll

簡介：沒有fd個數(shù)限制，用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)只需要一次，使用事件通知機(jī)制來觸發(fā)。通過epoll_ctl注冊fd，一旦fd就緒就會通過callback回調(diào)機(jī)制來激活對應(yīng)fd，進(jìn)行相關(guān)的I/O操作。

缺點：

• 跨平臺，Linux 支持最好。
• 底層實現(xiàn)復(fù)雜。
• 同步。

 public static void main(String[] args) throws Exception {
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()
                .bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
            @Override
            public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {
                serverChannel.accept(null, this);
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                    @Override
                    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                        attachment.flip();
                        client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業(yè)務(wù)邏輯
                    }
                    @Override
                    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                        System.out.println(exc.getMessage());//失敗處理
                    }
                });
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();//失敗處理
            }
        });
        while (true) {
            //不while true main方法一瞬間結(jié)束
        }
    }

當(dāng)然上面的缺點相比較它優(yōu)點都可以忽略。JDK提供了異步方式實現(xiàn)，但在實際的Linux環(huán)境中底層還是epoll，只不過多了一層循環(huán)，不算真正的異步非阻塞。而且就像上圖中代碼調(diào)用，處理網(wǎng)絡(luò)連接的代碼和業(yè)務(wù)代碼解耦得不夠好。Netty提供了簡潔、解耦、結(jié)構(gòu)清晰的API。

 public static void main(String[] args) {
        new NettyServer().serverStart();
        System.out.println("Netty server started !");
    }

    public void serverStart() {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
        b.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new Handler());
                    }
                });
        try {
            ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        ctx.writeAndFlush(msg);
        ctx.close();
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

bossGroup 處理網(wǎng)絡(luò)請求的大管家（們），網(wǎng)絡(luò)連接就緒時，交給workGroup干活的工人（們）。

三、總結(jié)

回顧

• 同步/異步，連接建立后，用戶程序讀寫時，如果最終還是需要用戶程序來調(diào)用系統(tǒng)read()來讀數(shù)據(jù)，那就是同步的，反之是異步。Windows實現(xiàn)了真正的異步，內(nèi)核代碼甚為復(fù)雜，但對用戶程序來說是透明的。
• 阻塞/非阻塞，連接建立后，用戶程序在等待可讀可寫時，是不是可以干別的事兒。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多數(shù)操作系統(tǒng)都支持的。

Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什么這么香？

這些技術(shù)都是伴隨Linux內(nèi)核迭代中提供了高效處理網(wǎng)絡(luò)請求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的。了解計算機(jī)底層的知識才能更深刻地理解I/O，知其然，更要知其所以然。與君共勉！

文章來源：宜信技術(shù)學(xué)院 & 宜信支付結(jié)算團(tuán)隊技術(shù)分享第8期-宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊高級工程師周勝帥《從操作系統(tǒng)層面理解Linux的網(wǎng)絡(luò)IO模型》

分享者：宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊高級工程師周勝帥

原文首發(fā)于支付結(jié)算團(tuán)隊技術(shù)公號“野指針”