從操作系統(tǒng)層面理解Linux下的網(wǎng)絡IO模型，這么講你還不懂？

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

計算機世界里的速度鄙視：

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)的速度遠大于I/O準備數(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)絡編程中如何進行網(wǎng)絡I/O優(yōu)化： 怎么高效地利用CPU進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理？ ？？

相關概念

從操作系統(tǒng)層面怎么理解網(wǎng)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(zhì)。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(wǎng)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(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）。

從操作系統(tǒng)層面理解Linux下的網(wǎng)絡IO模型，這么講你還不懂？

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(wǎng)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(nèi)核空間、用戶空間

內(nèi)核負責網(wǎng)絡和文件數(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，才可以進行網(wǎng)絡編程。
應用程序通過系統(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，應用程序才能非阻塞調(diào)用，支持了異步，應用程序才能異步調(diào)用

1.4 文件描述符 –FD 句柄

網(wǎng)絡編程都需要知道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(wǎng)絡請求的過程

連接建立后。
等待數(shù)據(jù)準備好（CPU 閑置）。
將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程中（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)拷貝到應用程序的地址空間。

所以說，當一個read操作發(fā)生時，它會經(jīng)歷兩個階段：

等待數(shù)據(jù)準備 (Waiting for the data to be ready)。
將數(shù)據(jù)從內(nèi)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(tǒng)升級迭代中出現(xiàn)了下面三種網(wǎng)絡模式的解決方案。

I/O模型

2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O

簡介：最原始的網(wǎng)絡I/O模型。進程會一直阻塞，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：進程反復系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回結果。

缺點：當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發(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(wǎng)絡連接。內(nèi)核負責輪詢所有socket，當某個socket有數(shù)據(jù)到達了，就通知用戶進程。多路復用在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三種多路復用的網(wǎng)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(diào)用 select()，需要把 fd 集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核進行遍歷。
逐個排查所有FD狀態(tài)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?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(shù)據(jù)結構(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(xiàn)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(yè)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(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)絡連接的代碼和業(yè)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(wǎng)絡請求的大管家（們），網(wǎng)絡連接就緒時，交給workGroup干活的工人（們）。

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(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。