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。今天我們從操作系統層面理解 Linux 下的網絡 IO 模型！
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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？
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。
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。
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）。
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）。
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。
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）。
內核空間 、用戶空間
內核空間 、用戶空間如上圖：
- 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。
內核態、用戶態如上圖：
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。
線程的切換如上圖，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。
套接字：Socket
套接字作用如下：
- 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。
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
服務端處理網絡請求的過程
服務端處理網絡請求的過程如上圖：
- 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。
I/O 模型
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。
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。
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("請求："+newString(byteBuffer.array()));Stringresp="服務器響應";byteBuffer.get(resp.getBytes());socket.write(byteBuffer);}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}
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。
①I/O 多路復用：Select
簡介：有連接請求抵達了再檢查處理。
缺點如下：
- 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。
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelssc=ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocketssc.socket().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));ssc.configureBlocking(false);//設置非阻塞System.out.println("NIOsingleserverstarted,listeningon:"+ssc.getLocalAddress());Selectorselector=Selector.open();ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注冊關心的事件就緒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}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。
③I/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。
缺點如下：
- 跨平臺，Linux 支持最好。
- 底層實現復雜。
- 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()));//業務邏輯}@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方法一瞬間結束}}
當然上面的缺點相比較它的優點都可以忽略。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。
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 處理網絡請求的大管家（們），網絡連接就緒時，交給 workGroup 干活的工人（們）。
總結
回顧上文總結如下：
- 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！
作者：周勝帥
簡介：宜信支付結算部支付研發團隊高級工程師
