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(qǐng)求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的。今天我們從操作系統(tǒng)層面理解 Linux 下的網(wǎng)絡(luò) IO 模型！
圖片來(lái)自 Pexels
I/O（ INPUT/OUTPUT），包括文件 I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O。計(jì)算機(jī)世界里的速度鄙視：
- 內(nèi)存讀數(shù)據(jù)：納秒級(jí)別。
- 千兆網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)：微妙級(jí)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(jí)別。1 毫秒=10 萬(wàn)納秒 ，硬盤比內(nèi)存慢了 10 萬(wàn)倍。
- CPU 一個(gè)時(shí)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(yǔ)言都會(huì)遇到這種 CPU 處理速度和 I/O 速度不匹配的問(wèn)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？
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(jì)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(wú)法真正明白技術(shù)的設(shè)計(jì)思路和本質(zhì)。所以在我看來(lái)，這些概念是了解技術(shù)和計(jì)算機(jī)世界的基礎(chǔ)。
同步與異步，阻塞與非阻塞
理解網(wǎng)絡(luò) I/O 避不開(kāi)的話題：同步與異步，阻塞與非阻塞。
拿山治燒水舉例來(lái)說(shuō)，(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(kāi)之后需不需要我來(lái)處理。
- 阻塞/非阻塞關(guān)注的是在水燒開(kāi)的這段時(shí)間是不是干了其他事。
同步阻塞：點(diǎn)火后，傻等，不等到水開(kāi)堅(jiān)決不干任何事（阻塞），水開(kāi)了關(guān)火（同步）。
同步非阻塞：點(diǎn)火后，去看電視（非阻塞），時(shí)不時(shí)看水開(kāi)了沒(méi)有，水開(kāi)后關(guān)火（同步）。
異步阻塞：按下開(kāi)關(guān)后，傻等水開(kāi)（阻塞），水開(kāi)后自動(dòng)斷電（異步）。
網(wǎng)絡(luò)編程中不存在的模型。
異步非阻塞：按下開(kāi)關(guān)后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開(kāi)后自動(dòng)斷電（異步）。
內(nèi)核空間 、用戶空間
內(nèi)核空間 、用戶空間如上圖：
- 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(guò)系統(tǒng)調(diào)用獲得網(wǎng)絡(luò)和文件的數(shù)據(jù)。
內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)如上圖：
程序?yàn)樽x寫數(shù)據(jù)不得不發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用。
通過(guò)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(lái)。
進(jìn)程或線程的不同空間狀態(tài)。
線程的切換如上圖，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗時(shí)，費(fèi)資源（內(nèi)存、CPU）。
優(yōu)化建議：
- 更少的切換。
- 共享空間。
套接字：Socket
套接字作用如下：
- 有了套接字，才可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。
- 應(yīng)用程序通過(guò)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。
文件描述符：FD 句柄
網(wǎng)絡(luò)編程都需要知道 FD？？？FD 是個(gè)什么鬼？？？Linux：萬(wàn)物都是文件，F(xiàn)D 就是文件的引用。
像不像 JAVA 中萬(wàn)物都是對(duì)象？程序中操作的是對(duì)象的引用。Java 中創(chuàng)建對(duì)象的個(gè)數(shù)有內(nèi)存的限制，同樣 FD 的個(gè)數(shù)也是有限制的。
Linux 在處理文件和網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，都需要打開(kāi)和關(guān)閉 FD。
每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有默認(rèn)的 FD：
- 0 標(biāo)準(zhǔn)輸入 stdin
- 1 標(biāo)準(zhǔn)輸出 stdout
- 2 錯(cuò)誤輸出 stderr
服務(wù)端處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的過(guò)程
服務(wù)端處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的過(guò)程如上圖：
- 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(duì)于一次 I/O 訪問(wèn)（以 read 舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)，然后才會(huì)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(shuō)，當(dāng)一個(gè) read 操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)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?yàn)檫@兩個(gè)階段，Linux 系統(tǒng)升級(jí)迭代中出現(xiàn)了下面三種網(wǎng)絡(luò)模式的解決方案。
I/O 模型
阻塞 I/O：Blocking I/O
簡(jiǎn)介：最原始的網(wǎng)絡(luò) I/O 模型。進(jìn)程會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成。
缺點(diǎn)：高并發(fā)時(shí)，服務(wù)端與客戶端對(duì)等連接。
線程多帶來(lái)的問(wèn)題：
- CPU 資源浪費(fèi)，上下文切換。
- 內(nèi)存成本幾何上升，JVM 一個(gè)線程的成本約 1MB。
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketss=newServerSocket();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));intidx=0;while(true){finalSocketsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"線程["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(Socketsocket){byte[]bytes=newbyte[1024];try{StringserverMsg="serversss[線程："+Thread.currentThread().getName()+"]";socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法socket.getOutputStream().flush();}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}}
非阻塞 I/O：Non Blocking IO
簡(jiǎn)介：進(jìn)程反復(fù)系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回結(jié)果。
缺點(diǎn)：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(lái)回的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，成本幾何上升。
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelss=ServerSocketChannel.open();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));System.out.println("NIOServerstarted...");ss.configureBlocking(false);intidx=0;while(true){finalSocketChannelsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"線程["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(SocketChannelsocket){try{socket.configureBlocking(false);ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);socket.read(byteBuffer);byteBuffer.flip();System.out.println("請(qǐng)求："+newString(byteBuffer.array()));Stringresp="服務(wù)器響應(yīng)";byteBuffer.get(resp.getBytes());socket.write(byteBuffer);}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}
I/O 多路復(fù)用：IO multiplexing
簡(jiǎn)介：單個(gè)線程就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接。內(nèi)核負(fù)責(zé)輪詢所有 Socket，當(dāng)某個(gè) 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(guò)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。
①I/O 多路復(fù)用：Select
簡(jiǎn)介：有連接請(qǐng)求抵達(dá)了再檢查處理。
缺點(diǎn)如下：
- 句柄上限：默認(rèn)打開(kāi)的 FD 有限制，1024 個(gè)。
- 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(gè)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(gè)插口，建立了一個(gè)通道，然后再在通道依次注冊(cè)讀寫事件。
一個(gè)就緒、讀或?qū)懯录幚頃r(shí)一定記得刪除，要不下次還能處理。
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelssc=ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocketssc.socket().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));ssc.configureBlocking(false);//設(shè)置非阻塞System.out.println("NIOsingleserverstarted,listeningon:"+ssc.getLocalAddress());Selectorselector=Selector.open();ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注冊(cè)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()){SelectionKeykey=it.next();it.remove();//處理的事件，必須刪除handle(key);}}}privatestaticvoidhandle(SelectionKeykey)throwsIOException{if(key.isAcceptable()){ServerSocketChannelssc=(ServerSocketChannel)key.channel();SocketChannelsc=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(cè)關(guān)心的事件可讀}elseif(key.isReadable()){//flipSocketChannelsc=null;sc=(SocketChannel)key.channel();ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(512);buffer.clear();intlen=sc.read(buffer);if(len!=-1){System.out.println("["+Thread.currentThread().getName()+"]recv:"+newString(buffer.array(),0,len));}ByteBufferbufferToWrite=ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());sc.write(bufferToWrite);}}
②I/O 多路復(fù)用：Poll
簡(jiǎn)介：設(shè)計(jì)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(méi)有了 Select 方式的最大文件描述符數(shù)量的限制。
缺點(diǎn)：逐個(gè)排查所有 FD 狀態(tài)效率不高。
③I/O 多路復(fù)用：Epoll
簡(jiǎn)介：沒(méi)有 FD 個(gè)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(lái)觸發(fā)。
通過(guò) epoll_ctl 注冊(cè) FD，一旦 FD 就緒就會(huì)通過(guò) Callback 回調(diào)機(jī)制來(lái)激活對(duì)應(yīng) FD，進(jìn)行相關(guān)的 I/O 操作。
缺點(diǎn)如下：
- 跨平臺(tái)，Linux 支持最好。
- 底層實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。
- 同步。
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{finalAsynchronousServerSocketChannelserverChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));serverChannel.accept(null,newCompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,Object>(){@Overridepublicvoidcompleted(finalAsynchronousSocketChannelclient,Objectattachment){serverChannel.accept(null,this);ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer,buffer,newCompletionHandler<Integer,ByteBuffer>(){@Overridepublicvoidcompleted(Integerresult,ByteBufferattachment){attachment.flip();client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業(yè)務(wù)邏輯}@Overridepublicvoidfailed(Throwableexc,ByteBufferattachment){System.out.println(exc.getMessage());//失敗處理}});}@Overridepublicvoidfailed(Throwableexc,Objectattachment){exc.printStackTrace();//失敗處理}});while(true){//不whiletruemain方法一瞬間結(jié)束}}
當(dāng)然上面的缺點(diǎn)相比較它的優(yōu)點(diǎn)都可以忽略。JDK 提供了異步方式實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際的 Linux 環(huán)境中底層還是 Epoll，只不過(guò)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(jiǎn)潔、解耦、結(jié)構(gòu)清晰的 API。
publicstaticvoidmain(String[]args){newNettyServer().serverStart();System.out.println("Nettyserverstarted!");}publicvoidserverStart(){EventLoopGroupbossGroup=newNioEventLoopGroup();EventLoopGroupworkerGroup=newNioEventLoopGroup();ServerBootstrapb=newServerBootstrap();b.group(bossGroup,workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(newChannelInitializer<SocketChannel>(){@OverrideprotectedvoidinitChannel(SocketChannelch)throwsException{ch.pipeline().addLast(newHandler());}});try{ChannelFuturef=b.localAddress(Constant.HOST,Constant.PORT).bind().sync();f.channel().closeFuture().sync();}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}finally{workerGroup.shutdownGracefully();bossGroup.shutdownGracefully();}}}classHandlerextendsChannelInboundHandlerAdapter{@OverridepublicvoidchannelRead(ChannelHandlerContextctx,Objectmsg)throwsException{ByteBufbuf=(ByteBuf)msg;ctx.writeAndFlush(msg);ctx.close();}@OverridepublicvoidexceptionCaught(ChannelHandlerContextctx,Throwablecause)throwsException{cause.printStackTrace();ctx.close();}}
bossGroup 處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的大管家（們），網(wǎng)絡(luò)連接就緒時(shí)，交給 workGroup 干活的工人（們）。
總結(jié)
回顧上文總結(jié)如下：
- 同步/異步，連接建立后，用戶程序讀寫時(shí)，如果最終還是需要用戶程序來(lái)調(diào)用系統(tǒng) read() 來(lái)讀數(shù)據(jù)，那就是同步的，反之是異步。windows 實(shí)現(xiàn)了真正的異步，內(nèi)核代碼甚為復(fù)雜，但對(duì)用戶程序來(lái)說(shuō)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(shí)，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(qǐng)求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的。
了解計(jì)算機(jī)底層的知識(shí)才能更深刻地理解 I/O，知其然，更要知其所以然。與君共勉！
作者：周勝帥
簡(jiǎn)介：宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊(duì)高級(jí)工程師
