从操作系统层面理解Linux下的网络IO模型,一篇抵十篇

系统 Linux 通信技术
任何编程语言都会遇到这种CPU处理速度和I/O速度不匹配的问题!在网络编程中如何进行网络I/O优化: 怎么高效地利用CPU进行网络数据处理? ? ?

I/O( INPUT OUTPUT),包括文件I/O、网络I/O。

计算机世界里的速度鄙视:

  • 内存读数据:纳秒级别。
  • 千兆网卡读数据: 微秒级别。 1微秒 =1000纳秒,网卡比内存慢了千倍。
  • 磁盘读数据:毫秒级别。1毫秒=10万纳秒 ,硬盘比内存慢了10万倍。
  • CPU一个时钟周期1纳秒上下,内存算是比较接近CPU的,其他都等不起。

CPU 处理数据的速度远大于I/O准备数据的速度 。

任何编程语言都会遇到这种CPU处理速度和I/O速度不匹配的问题!

在网络编程中如何进行网络I/O优化: 怎么高效地利用CPU进行网络数据处理? ? ?

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一、相关概念

从操作系统层面怎么理解网络I/O呢? 计算机的世界有一套自己定义的概念。如果不明白这些概念,就无法真正明白技术的设计思路和本质。所以在我看来,这些概念是了解技术和计算机世界的基础。

1. 同步与异步,阻塞与非阻塞

理解网络I/O避不开的话题:同步与异步,阻塞与非阻塞。

拿山治烧水举例来说,(山治的行为好比用户程序,烧水好比内核提供的系统调用),这两组概念翻译成大白话可以这么理解。

  • 同步/异步关注的是水烧开之后需不需要我来处理。
  • 阻塞/非阻塞关注的是在水烧开的这段时间是不是干了其他事。

(1) 同步阻塞

点火后,傻等,不等到水开坚决不干任何事(阻塞),水开了关火(同步)。

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(2)  同步非阻塞

点火后,去看电视(非阻塞),时不时看水开了没有,水开后关火(同步)。

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(3) 异步阻塞

按下开关后,傻等水开(阻塞),水开后自动断电(异步)。

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网络编程中不存在的模型。

(4) 异步非阻塞

按下开关后,该干嘛干嘛 (非阻塞),水开后自动断电(异步)。

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2.  内核空间 、用户空间

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内核负责网络和文件数据的读写。

用户程序通过系统调用获得网络和文件的数据。

(1) 内核态 用户态

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程序为读写数据不得不发生系统调用。

通过系统调用接口,线程从用户态切换到内核态,内核读写数据后,再切换回来。

进程或线程的不同空间状态。

(2) 线程的切换

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用户态和内核态的切换耗时,费资源(内存、CPU)

优化建议:

  • 更少的切换
  • 共享空间

3. 套接字 – socket

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有了套接字,才可以进行网络编程。

应用程序通过系统调用socket(),建立连接,接收和发送数据(I / O)。

SOCKET 支持了非阻塞,应用程序才能非阻塞调用,支持了异步,应用程序才能异步调用

4.  文件描述符 –FD 句柄

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网络编程都需要知道FD? ??FD是个什么鬼???

Linux:万物都是文件,FD就是文件的引用。像不像JAVA中万物都是对象?程序中操作的是对象的引用。JAVA中创建对象的个数有内存的限制,同样FD的个数也是有限制的。

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Linux在处理文件和网络连接时,都需要打开和关闭FD。

每个进程都会有默认的FD:

  • 0 标准输入 stdin
  • 1 标准输出 stdout
  • 2 错误输出 stderr

5. 服务端处理网络请求的过程

  • 连接建立后
  • 等待数据准备好(CPU 闲置)
  • 将数据从内核拷贝到进程中(CPU闲置)

怎么优化呢?

对于一次I/O访问(以read举例),数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所以说,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:

  • 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。
  • 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

正是因为这两个阶段,Linux系统升级迭代中出现了下面三种网络模式的解决方案。

二、I/O模型

1. 阻塞 I/O - Blocking I/O

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简介:最原始的网络I/O模型。进程会一直阻塞,直到数据拷贝完成。

缺点:高并发时,服务端与客户端对等连接,线程多带来的问题:

  • CPU资源浪费,上下文切换。
  • 内存成本几何上升,JVM一个线程的成本约1MB。
  1. public static void main(String[] args) throws IOException { 
  2.  ServerSocket ss = new ServerSocket(); 
  3.  ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); 
  4.  int idx =0
  5.  while (true) { 
  6.  final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法 
  7.  new Thread(() -> { 
  8.  handle(socket); 
  9.  },"线程["+idx+"]" ).start(); 
  10.  } 
  11.  } 
  12.  
  13.  static void handle(Socket socket) { 
  14.  byte[] bytes = new byte[1024]; 
  15.  try { 
  16.  String serverMsg = " server sss[ 线程:"+ Thread.currentThread().getName() +"]"; 
  17.  socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法 
  18.  socket.getOutputStream().flush(); 
  19.  } catch (Exception e) { 
  20.  e.printStackTrace(); 
  21.  } 
  22.  } 

2. 非阻塞 I/O - Non Blocking IO

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简介: 进程反复系统调用,并马上返回结果。

缺点: 当进程有1000fds,代表用户进程轮询发生系统调用1000次kernel,来回的用户态和内核态的切换,成本几何上升。

  1. public static void main(String[] args) throws IOException { 
  2.  ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open(); 
  3.  ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); 
  4.  System.out.println(" NIO server started ... "); 
  5.  ss.configureBlocking(false); 
  6.  int idx =0
  7.  while (true) { 
  8.  final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法 
  9.  new Thread(() -> { 
  10.  handle(socket); 
  11.  },"线程["+idx+"]" ).start(); 
  12.  } 
  13.  } 
  14.  static void handle(SocketChannel socket) { 
  15.  try { 
  16.  socket.configureBlocking(false); 
  17.  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); 
  18.  socket.read(byteBuffer); 
  19.  byteBuffer.flip(); 
  20.  System.out.println("请求:" + new String(byteBuffer.array())); 
  21.  String resp = "服务器响应"
  22.  byteBuffer.get(resp.getBytes()); 
  23.  socket.write(byteBuffer); 
  24.  } catch (IOException e) { 
  25.  e.printStackTrace(); 
  26.  } 
  27.  } 

3. I/O 多路复用 - IO multiplexing

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简介: 单个线程就可以同时处理多个网络连接。 内核负责轮询所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。 多路复用在Linux内核代码迭代过程中依次支持了三种调用,即SELECT、POLL、EPOLL三种多路复用的网络I/O模型。 下文将画图结合Java代码解释。

(1) I/O 多路复用- select

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简介: 有连接请求抵达了再检查处理。

缺点:

  • 句柄上限- 默认打开的FD有限制,1024个。
  • 重复初始化-每次调用 select(),需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态,内核进行遍历。
  • 逐个排查所有FD状态效率不高。

服务端的select 就像一块布满插口的插排,client端的连接连上其中一个插口,建立了一个通道,然后再在通道依次注册读写事件。 一个就绪、读或写事件处理时一定记得删除,要不下次还能处理。

  1. public static void main(String[] args) throws IOException { 
  2.  ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket 
  3.  ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); 
  4.  ssc.configureBlocking(false);//设置非阻塞 
  5.  System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress()); 
  6.  Selector selector = Selector.open(); 
  7.  ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上,注册关心的事件 就绪 
  8.  while(true) { 
  9.  selector.select(); 
  10.  Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); 
  11.  Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator(); 
  12.  while(it.hasNext()) { 
  13.  SelectionKey key = it.next(); 
  14.  it.remove();//处理的事件,必须删除 
  15.  handle(key); 
  16.  } 
  17.  } 
  18.  } 
  19.  private static void handle(SelectionKey key) throws IOException { 
  20.  if(key.isAcceptable()) { 
  21.  ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); 
  22.  SocketChannel sc = ssc.accept(); 
  23.  sc.configureBlocking(false);//设置非阻塞 
  24.  sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上,注册关心的事件 可读 
  25.  } else if (key.isReadable()) { //flip 
  26.  SocketChannel sc = null
  27.  sc = (SocketChannel)key.channel(); 
  28.  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512); 
  29.  buffer.clear(); 
  30.  int len = sc.read(buffer); 
  31.  if(len != -1) { 
  32.  System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len)); 
  33.  } 
  34.  ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()); 
  35.  sc.write(bufferToWrite); 
  36.  } 
  37.  } 

2.3.2 I/O 多路复用 – poll

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简介: 设计新的数据结构(链表)提供使用效率。

poll和select相比在本质上变化不大,只是poll没有了select方式的最大文件描述符数量的限制。

缺点: 逐个排查所有FD状态效率不高。

2.3.3 I/O 多路复用- epoll

简介: 没有fd个数限制,用户态拷贝到内核态只需要一次,使用事件通知机制来触发。 通过epoll_ctl注册fd,一旦fd就绪就会通过callback回调机制来激活对应fd,进行相关的I/O操作。

缺点:

  • 跨平台,Linux 支持最好
  • 底层实现复杂
  • 同步
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
  2.  final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() 
  3.  .bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); 
  4.  serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { 
  5.  @Override 
  6.  public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) { 
  7.  serverChannel.accept(null, this); 
  8.  ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); 
  9.  client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { 
  10.  @Override 
  11.  public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { 
  12.  attachment.flip(); 
  13.  client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//业务逻辑 
  14.  } 
  15.  @Override 
  16.  public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { 
  17.  System.out.println(exc.getMessage());//失败处理 
  18.  } 
  19.  }); 
  20.  } 
  21.  
  22.  @Override 
  23.  public void failed(Throwable exc, Object attachment) { 
  24.  exc.printStackTrace();//失败处理 
  25.  } 
  26.  }); 
  27.  while (true) { 
  28.  //不while true main方法一瞬间结束 
  29.  } 
  30.  } 

当然上面的缺点相比较它优点都可以忽略。 JDK提供了异步方式实现,但在实际的Linux环境中底层还是epoll,只不过多了一层循环,不算真正的异步非阻塞。 而且就像上图中代码调用,处理网络连接的代码和业务代码解耦得不够好。 Netty提供了简洁、解耦、结构清晰的API。

  1. public static void main(String[] args) { 
  2.  new NettyServer().serverStart(); 
  3.  System.out.println("Netty server started !"); 
  4.  } 
  5.  
  6.  public void serverStart() { 
  7.  EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); 
  8.  EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); 
  9.  ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); 
  10.  b.group(bossGroup, workerGroup) 
  11.  .channel(NioServerSocketChannel.class) 
  12.  .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
  13.  @Override 
  14.  protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
  15.  ch.pipeline().addLast(new Handler()); 
  16.  } 
  17.  }); 
  18.  try { 
  19.  ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync(); 
  20.  f.channel().closeFuture().sync(); 
  21.  } catch (InterruptedException e) { 
  22.  e.printStackTrace(); 
  23.  } finally { 
  24.  workerGroup.shutdownGracefully(); 
  25.  bossGroup.shutdownGracefully(); 
  26.  } 
  27.  } 
  28.  
  29. class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
  30.  @Override 
  31.  public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { 
  32.  ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; 
  33.  ctx.writeAndFlush(msg); 
  34.  ctx.close(); 
  35.  } 
  36.  
  37.  @Override 
  38.  public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { 
  39.  cause.printStackTrace(); 
  40.  ctx.close(); 
  41.  } 

bossGroup 处理网络请求的大管家(们),网络连接就绪时,交给workGroup干活的工人(们)。

三、总结

  • 同步/异步,连接建立后,用户程序读写时,如果最终还是需要用户程序来调用系统read()来读数据,那就是同步的,反之是异步。 Windows实现了真正的异步,内核代码甚为复杂,但对用户程序来说是透明的。
  • 阻塞/非阻塞,连接建立后,用户程序在等待可读可写时,是不是可以干别的事儿。 如果可以就是非阻塞,反之阻塞。 大多数操作系统都支持的。

Redis,Nginx,Netty,Node.js 为什么这么香?

这些技术都是伴随Linux内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。 了解计算机底层的知识才能更深刻地理解I/O,知其然,更要知其所以然。

 

责任编辑:赵宁宁 来源: 今日头条
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