I/O（ INPUT OUTPUT），包括檔案I/O、網絡I/O。
計算機世界裡的速度鄙視：
- 記憶體讀資料：納秒級别。
- 千兆網卡讀資料：微妙級别。1微秒=1000納秒，網卡比記憶體慢了千倍。
- 磁盤讀資料：毫秒級别。1毫秒=10萬納秒 ，硬碟比記憶體慢了10萬倍。
- CPU一個時鐘周期1納秒上下，記憶體算是比較接近CPU的，其他都等不起。
CPU 處理資料的速度遠大于I/O準備資料的速度 。
任何程式設計語言都會遇到這種CPU處理速度和I/O速度不比對的問題!
在網絡程式設計中如何進行網絡I/O優化：怎麼高效地利用CPU進行網絡資料處理？？？
一、相關概念
從作業系統層面怎麼了解網絡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。是以在我看來，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
了解網絡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，(山治的行為好比使用者程式，燒水好比核心提供的系統調用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這麼了解。
- 同步/異步關注的是水燒開之後需不需要我來處理。
- 阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是幹了其他事。
1.1.1 同步阻塞
點火後，傻等，不等到水開堅決不幹任何事（阻塞），水開了關火（同步）。
1.1.2 同步非阻塞
點火後，去看電視（非阻塞），時不時看水開了沒有，水開後關火（同步）。
1.1.3 異步阻塞
按下開關後，傻等水開（阻塞），水開後自動斷電（異步）。
網絡程式設計中不存在的模型。
1.1.4 異步非阻塞
按下開關後，該幹嘛幹嘛 （非阻塞），水開後自動斷電（異步）。
1.2 核心空間 、使用者空間
- 核心負責網絡和檔案資料的讀寫。
- 使用者程式通過系統調用獲得網絡和檔案的資料。
1.2.1 核心态 使用者态
- 程式為讀寫資料不得不發生系統調用。
- 通過系統調用接口，線程從使用者态切換到核心态，核心讀寫資料後，再切換回來。
- 程序或線程的不同空間狀态。
1.2.2 線程的切換
使用者态和核心态的切換耗時，費資源（記憶體、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，才可以進行網絡程式設計。
- 應用程式通過系統調用socket(),建立連接配接，接收和發送資料（I / O）。
- SOCKET 支援了非阻塞，應用程式才能非阻塞調用，支援了異步，應用程式才能異步調用
1.4 檔案描述符 –FD 句柄
網絡程式設計都需要知道FD？？？ FD是個什麼鬼？？？
Linux：萬物都是檔案，FD就是檔案的引用。像不像JAVA中萬物都是對象?程式中操作的是對象的引用。JAVA中建立對象的個數有記憶體的限制，同樣FD的個數也是有限制的。
Linux在處理檔案和網絡連接配接時，都需要打開和關閉FD。
每個程序都會有預設的FD：
- 0 标準輸入 stdin
- 1 标準輸出 stdout
- 2 錯誤輸出 stderr
1.5 服務端處理網絡請求的過程
- 連接配接建立後。
- 等待資料準備好（CPU 閑置）。
- 将資料從核心拷貝到程序中（CPU閑置）。
怎麼優化呢？
對于一次I/O通路（以read舉例），資料會先被拷貝到作業系統核心的緩沖區，然後才會從作業系統核心的緩沖區拷貝到應用程式的位址空間。
是以說，當一個read操作發生時，它會經曆兩個階段：
- 等待資料準備 (Waiting for the data to be ready)。
- 将資料從核心拷貝到程序中 (Copying the data from the kernel to the process)。
正是因為這兩個階段，Linux系統更新疊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。程序會一直阻塞，直到資料拷貝完成。
缺點：高并發時，服務端與用戶端對等連接配接，線程多帶來的問題：
- CPU資源浪費，上下文切換。
- 記憶體成本幾何上升，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：程序反複系統調用，并馬上傳回結果。
缺點：當程序有1000fds,代表使用者程序輪詢發生系統調用1000次kernel，來回的使用者态和核心态的切換，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 = "伺服器響應";
byteBuffer.get(resp.getBytes());
socket.write(byteBuffer);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
} 2.3 I/O 多路複用 - IO multiplexing
簡介：單個線程就可以同時處理多個網絡連接配接。核心負責輪詢所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者程序。多路複用在Linux核心代碼疊代過程中依次支援了三種調用，即SELECT、POLL、EPOLL三種多路複用的網絡I/O模型。下文将畫圖結合Java代碼解釋。
2.3.1 I/O 多路複用- select
簡介：有連接配接請求抵達了再檢查處理。
缺點：
- 句柄上限- 預設打開的FD有限制,1024個。
- 重複初始化-每次調用 select()，需要把 fd 集合從使用者态拷貝到核心态，核心進行周遊。
- 逐個排查所有FD狀态效率不高。
服務端的select 就像一塊布滿插口的插排，client端的連接配接連上其中一個插口，建立了一個通道，然後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删除，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);//設定非阻塞
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，必須删除
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);//設定非阻塞
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 多路複用 – poll
簡介：設計新的資料結構(連結清單)提供使用效率。
poll和select相比在本質上變化不大，隻是poll沒有了select方式的最大檔案描述符數量的限制。
缺點：逐個排查所有FD狀态效率不高。
2.3.3 I/O 多路複用- epoll
簡介：沒有fd個數限制，使用者态拷貝到核心态隻需要一次，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。
- 跨平台，Linux 支援最好。
- 底層實作複雜。
- 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提供了異步方式實作，但在實際的Linux環境中底層還是epoll，隻不過多了一層循環，不算真正的異步非阻塞。而且就像上圖中代碼調用，處理網絡連接配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），網絡連接配接就緒時，交給workGroup幹活的勞工（們）。
三、總結
回顧
- 同步/異步，連接配接建立後，使用者程式讀寫時，如果最終還是需要使用者程式來調用系統read()來讀資料，那就是同步的，反之是異步。Windows實作了真正的異步，核心代碼甚為複雜，但對使用者程式來說是透明的。
- 阻塞/非阻塞，連接配接建立後，使用者程式在等待可讀可寫時，是不是可以幹别的事兒。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多數作業系統都支援的。
Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什麼這麼香？
這些技術都是伴随Linux核心疊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了解I/O，知其然，更要知其是以然。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進階工程師周勝帥《從作業系統層面了解Linux的網絡IO模型》
分享者：宜信支付結算部支付研發團隊進階工程師周勝帥
原文首發于支付結算團隊技術公号“野指針”