從操作系統層面理解Linux下的網絡IO模型

I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、網絡I/O。

計算機世界里的速度鄙視：

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

CPU 處理數據的速度遠大于I/O準備數據的速度 。

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!

在網絡編程中如何進行網絡I/O優化：怎么高效地利用CPU進行網絡數據處理？？？

一、相關概念

從操作系統層面怎么理解網絡I/O呢？計算機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的設計思路和本質。所以在我看來，這些概念是了解技術和計算機世界的基礎。

1.1 同步與異步，阻塞與非阻塞

理解網絡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，燒水好比內核提供的系統調用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這么理解。

• 同步/異步關注的是水燒開之后需不需要我來處理。
• 阻塞/非阻塞關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，水開后關火（同步）。

1.1.3 異步阻塞

按下開關后，傻等水開（阻塞），水開后自動斷電（異步）。

網絡編程中不存在的模型。

1.1.4 異步非阻塞

按下開關后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動斷電（異步）。

1.2 內核空間 、用戶空間

• 內核負責網絡和文件數據的讀寫。
• 用戶程序通過系統調用獲得網絡和文件的數據。

1.2.1 內核態 用戶態

• 程序為讀寫數據不得不發生系統調用。
• 通過系統調用接口，線程從用戶態切換到內核態，內核讀寫數據后，再切換回來。
• 進程或線程的不同空間狀態。

1.2.2 線程的切換

用戶態和內核態的切換耗時，費資源（內存、CPU）

優化建議：

• 更少的切換。
• 共享空間。

1.3 套接字 – socket

• 有了套接字，才可以進行網絡編程。
• 應用程序通過系統調用socket(),建立連接，接收和發送數據（I / O）。
• SOCKET 支持了非阻塞，應用程序才能非阻塞調用，支持了異步，應用程序才能異步調用

1.4 文件描述符 –FD 句柄

網絡編程都需要知道FD？？？ FD是個什么鬼？？？

Linux：萬物都是文件，FD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中創建對象的個數有內存的限制，同樣FD的個數也是有限制的。

Linux在處理文件和網絡連接時，都需要打開和關閉FD。

每個進程都會有默認的FD：

• 0 標準輸入 stdin
• 1 標準輸出 stdout
• 2 錯誤輸出 stderr

1.5 服務端處理網絡請求的過程

• 連接建立后。
• 等待數據準備好（CPU 閑置）。
• 將數據從內核拷貝到進程中（CPU閑置）。

怎么優化呢？

對于一次I/O訪問（以read舉例），數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間。

所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：

• 等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)。
• 將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

正是因為這兩個階段，Linux系統升級迭代中出現了下面三種網絡模式的解決方案。

二、IO模型介紹

2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O

簡介：最原始的網絡I/O模型。進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成。

缺點：高并發時，服務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：進程反復系統調用，并馬上返回結果。

缺點：當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發生系統調用1000次kernel，來回的用戶態和內核態的切換，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 = "服務器響應";
            byteBuffer.get(resp.getBytes());
            socket.write(byteBuffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

2.3 I/O 多路復用 - IO multiplexing

簡介：單個線程就可以同時處理多個網絡連接。內核負責輪詢所有socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。多路復用在Linux內核代碼迭代過程中依次支持了三種調用，即SELECT、POLL、EPOLL三種多路復用的網絡I/O模型。下文將畫圖結合Java代碼解釋。

2.3.1 I/O 多路復用- select

簡介：有連接請求抵達了再檢查處理。

缺點：

• 句柄上限- 默認打開的FD有限制,1024個。
• 重復初始化-每次調用 select()，需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態，內核進行遍歷。
• 逐個排查所有FD狀態效率不高。

服務端的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、讀或寫事件處理時一定記得刪除，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);//設置非阻塞
                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注冊關心的事件 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 多路復用 – poll

簡介：設計新的數據結構(鏈表)提供使用效率。

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

缺點：逐個排查所有FD狀態效率不高。

2.3.3 I/O 多路復用- epoll

簡介：沒有fd個數限制，用戶態拷貝到內核態只需要一次，使用事件通知機制來觸發。通過epoll_ctl注冊fd，一旦fd就緒就會通過callback回調機制來激活對應fd，進行相關的I/O操作。

缺點：

• 跨平臺，Linux 支持最好。
• 底層實現復雜。
• 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()));//業務邏輯
                    }
                    @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方法一瞬間結束
        }
    }

當然上面的缺點相比較它優點都可以忽略。JDK提供了異步方式實現，但在實際的Linux環境中底層還是epoll，只不過多了一層循環，不算真正的異步非阻塞。而且就像上圖中代碼調用，處理網絡連接的代碼和業務代碼解耦得不夠好。Netty提供了簡潔、解耦、結構清晰的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 處理網絡請求的大管家（們），網絡連接就緒時，交給workGroup干活的工人（們）。

三、總結

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用系統read()來讀數據，那就是同步的，反之是異步。Windows實現了真正的異步，內核代碼甚為復雜，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。大多數操作系統都支持的。

Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什么這么香？

這些技術都是伴隨Linux內核迭代中提供了高效處理網絡請求的系統調用而出現的。了解計算機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：宜信技術學院 & 宜信支付結算團隊技術分享第8期-宜信支付結算部支付研發團隊高級工程師周勝帥《從操作系統層面理解Linux的網絡IO模型》

分享者：宜信支付結算部支付研發團隊高級工程師周勝帥

原文首發于支付結算團隊技術公號“野指針”