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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圖片來自 Pexels

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。

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(); 
        } 
    } 

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(); 
        } 
    } 

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。

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); 
        } 
    } 

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。

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。

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）。

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

編輯：陶家龍、孫淑娟

出處：轉載自微信公眾號野指針，專注分享技術人的點點滴滴，包括但不限于技術點解析、技術心得、實踐案例、技術人成長等。