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你好，我是yes。

最近打算輸出 Netty 相關(guān)的文章，但要深入學(xué)習(xí) Netty 這個底層通信框架，網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識點不可或缺。所以我打算先寫一些前置知識點，對齊一下認識，便于之后對 Netty 的理解。

我們應(yīng)該都知道 socket(套接字)，你可以認為我們的通信都要基于這個玩意，而常說的網(wǎng)絡(luò)通信又分為 TCP 與 UDP 兩種，下面我會以 TCP 通信為例來闡述下 socket 的通信流程。

不過在此之前，我先來說說什么叫 I/O。

I/O到底是什么?

I/O 其實就是 input 和 output 的縮寫，即輸入/輸出。

那輸入輸出啥呢?

比如我們用鍵盤來敲代碼其實就是輸入，那顯示器顯示圖案就是輸出，這其實就是 I/O。

而我們時常關(guān)心的磁盤 I/O 指的是硬盤和內(nèi)存之間的輸入輸出。

讀取本地文件的時候，要將磁盤的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中，修改本地文件的時候，需要把修改后的數(shù)據(jù)拷貝到磁盤中。

網(wǎng)絡(luò) I/O 指的是網(wǎng)卡與內(nèi)存之間的輸入輸出。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)到來時，網(wǎng)卡需要將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)存中。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)上的其他人時，需要將數(shù)據(jù)從內(nèi)存拷貝到網(wǎng)卡里。

那為什么都要跟內(nèi)存交互呢?

我們的指令最終是由 CPU 執(zhí)行的，究其原因是 CPU 與內(nèi)存交互的速度遠高于 CPU 和這些外部設(shè)備直接交互的速度。

因此都是和內(nèi)存交互，當(dāng)然假設(shè)沒有內(nèi)存，讓 CPU 直接和外部設(shè)備交互，那也算 I/O。

總結(jié)下：I/O 就是指內(nèi)存與外部設(shè)備之間的交互(數(shù)據(jù)拷貝)。

好了，明確什么是 I/O 之后，讓我們來揭一揭 socket 通信內(nèi)幕~

創(chuàng)建 socket

首先服務(wù)端需要先創(chuàng)建一個 socket。在 Linux 中一切都是文件，那么創(chuàng)建的 socket 也是文件，每個文件都有一個整型的文件描述符(fd)來指代這個文件。

int socket(int domain, int type, int protocol); 

• domain：這個參數(shù)用于選擇通信的協(xié)議族，比如選擇 IPv4 通信，還是 IPv6 通信等等
• type：選擇套接字類型，可選字節(jié)流套接字、數(shù)據(jù)報套接字等等。
• protocol：指定使用的協(xié)議。

這個 protocol 通常可以設(shè)為 0 ，因為由前面兩個參數(shù)可以推斷出所要使用的協(xié)議。

比如socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);，表明使用 IPv4 ，且使用字節(jié)流套接字，可以判斷使用的協(xié)議為 TCP 協(xié)議。

這個方法的返回值為 int ，其實就是創(chuàng)建的 socket 的 fd。

bind

現(xiàn)在我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個 socket，但現(xiàn)在還沒有地址指向這個 socket。

眾所周知，服務(wù)器應(yīng)用需要指明 IP 和端口，這樣客戶端才好找上門來要服務(wù)，所以此時我們需要指定一個地址和端口來與這個 socket 綁定一下。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數(shù)里的 sockfd 就是我們創(chuàng)建的 socket 的文件描述符，執(zhí)行了 bind 參數(shù)之后我們的 socket 距離可以被訪問又更近了一步。

listen

執(zhí)行了 socket、bind 之后，此時的 socket 還處于 closed 的狀態(tài)，也就是不對外監(jiān)聽的，然后我們需要調(diào)用 listen 方法，讓 socket 進入被動監(jiān)聽狀態(tài)，這樣的 socket 才能夠監(jiān)聽到客戶端的連接請求。

int listen(int sockfd, int backlog);

傳入創(chuàng)建的 socket 的 fd，并且指明一下 backlog 的大小。

這個 backlog 我查閱資料的時候，看到了三種解釋：

1. socket 有一個隊列，同時存放已完成的連接和半連接，backlog為這個隊列的大小。
2. socket 有兩個隊列，分別為已完成的連接隊列和半連接隊列，backlog為這個兩個隊列的大小之和。
3. socket 有兩個隊列，分別為已完成的連接隊列和半連接隊列，backlog僅為已完成的連接隊列大小。

解釋下什么叫半連接

我們都知道 TCP 建立連接需要三次握手，當(dāng)接收方收到請求方的建連請求后會返回 ack，此時這個連接在接收方就處于半連接狀態(tài)，當(dāng)接收方再收到請求方的 ack 時，這個連接就處于已完成狀態(tài)：

所以上面討論的就是這兩種狀態(tài)的連接的存放問題。

我查閱資料看到，基于 BSD 派生的系統(tǒng)的實現(xiàn)是使用的一個隊列來同時存放這兩種狀態(tài)的連接， backlog 參數(shù)即為這個隊列的大小。

而 Linux 則使用兩個隊列分別存儲已完成連接和半連接，且 backlog 僅為已完成連接的隊列大小

accept

現(xiàn)在我們已經(jīng)初始化好監(jiān)聽套接字了，此時會有客戶端連上來，然后我們需要處理這些已經(jīng)完成建連的連接。

從上面的分析我們可以得知，三次握手完成后的連接會被加入到已完成連接隊列中去。

這時候，我們就需要從已完成連接隊列中拿到連接進行處理，這個拿取動作就由 accpet 來完成。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); 

這個方法返回的 int 值就是拿到的已完成連接的 socket 的文件描述符，之后操作這個 socket 就可以進行通信了。

如果已完成連接隊列沒有連接可以取，那么調(diào)用 accept 的線程會阻塞等待。

至此服務(wù)端的通信流程暫告一段落，我們再看看客戶端的操作。

connect

客戶端也需要創(chuàng)建一個 socket，也就是調(diào)用 socket()，這里就不贅述了，我們直接開始建連操作。

客戶端需要與服務(wù)端建立連接，在 TCP 協(xié)議下開始經(jīng)典的三次握手操作，再看一下上面畫的圖：

客戶端創(chuàng)建完 socket 并調(diào)用 connect 之后，連接就處于 SYN_SEND 狀態(tài)，當(dāng)收到服務(wù)端的 SYN+ACK 之后，連接就變?yōu)? ESTABLISHED 狀態(tài)，此時就代表三次握手完畢。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 

調(diào)用connect需要指定遠程的地址和端口進行建連，三次握手完畢之后就可以開始通信了。

客戶端這邊不需要調(diào)用 bind 操作，默認會選擇源 IP 和隨機端口。

用一幅圖來小結(jié)一下建連的操作：

可以看到這里的兩個阻塞點：

• connect：需要阻塞等待三次握手的完成。
• accept：需要等待可用的已完成的連接，如果已完成連接隊列為空，則被阻塞。

read、write

連接建立成功之后，就能開始發(fā)送和接收消息了，我們來看一下

read 為讀數(shù)據(jù)，從服務(wù)端來看就是等待客戶端的請求，如果客戶端不發(fā)請求，那么調(diào)用 read 會處于阻塞等待狀態(tài)，沒有數(shù)據(jù)可以讀，這個應(yīng)該很好理解。

write 為寫數(shù)據(jù)，一般而言服務(wù)端接受客戶端的請求之后，會進行一些邏輯處理，然后再把結(jié)果返回給客戶端，這個寫入也可能會被阻塞。

這里可能有人就會問 read 讀不到數(shù)據(jù)阻塞等待可以理解，write 為什么還要阻塞，有數(shù)據(jù)不就直接發(fā)了嗎?

因為我們用的是 TCP 協(xié)議，TCP 協(xié)議需要保證數(shù)據(jù)可靠地、有序地傳輸，并且給予端與端之間的流量控制。

所以說發(fā)送不是直接發(fā)出去，它有個發(fā)送緩沖區(qū)，我們需要把數(shù)據(jù)先拷貝到 TCP 的發(fā)送緩沖區(qū)，由 TCP 自行控制發(fā)送的時間和邏輯，有可能還有重傳什么的。

如果我們發(fā)的過快，導(dǎo)致接收方處理不過來，那么接收方就會通過 TCP 協(xié)議告知：別發(fā)了!忙不過來了。發(fā)送緩存區(qū)是有大小限制的，由于無法發(fā)送，還不斷調(diào)用 write 那么緩存區(qū)就滿了，滿了就不然你 write 了，所以 write 也會發(fā)生阻塞。

綜上，read 和 write 都會發(fā)生阻塞。

最后

為什么網(wǎng)絡(luò) I/O 會被阻塞?

因為建連和通信涉及到的 accept、connect、read、write 這幾個方法都可能會發(fā)生阻塞。

阻塞會占用當(dāng)前執(zhí)行的線程，使之不能進行其他操作，并且頻繁阻塞喚醒切換上下文也會導(dǎo)致性能的下降。

由于阻塞的緣故，起初的解決的方案就是建立多個線程，但是隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶激增，連接數(shù)也隨著激增，需要建立的線程數(shù)也隨著一起增加，到后來就產(chǎn)生了 C10K 問題。

服務(wù)端頂不住了呀，咋辦?

優(yōu)化唄!

所以后來就弄了個非阻塞套接字，然后 I/O多路復(fù)用、信號驅(qū)動I/O、異步I/O。

下篇我們就來好好盤盤，這幾種 I/O 模型!