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从操作系统层面理解Linux下的网络IO模型

发表于：2024-11-27 作者：千家信息网编辑

千家信息网最后更新 2024年11月27日，I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、网络I/O。计算机世界里的速度鄙视：内存读数据：纳秒级别。千兆网卡读数据：微妙级别。1微秒=1000纳秒，网卡比内存慢了千倍。磁盘读数据：毫秒级别

千家信息网最后更新 2024年11月27日从操作系统层面理解Linux下的网络IO模型

I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、网络I/O。

计算机世界里的速度鄙视：

内存读数据：纳秒级别。
千兆网卡读数据：微妙级别。1微秒=1000纳秒，网卡比内存慢了千倍。
磁盘读数据：毫秒级别。1毫秒=10万纳秒，硬盘比内存慢了10万倍。
CPU一个时钟周期1纳秒上下，内存算是比较接近CPU的，其他都等不起。

CPU 处理数据的速度远大于I/O准备数据的速度。

任何编程语言都会遇到这种CPU处理速度和I/O速度不匹配的问题!

在网络编程中如何进行网络I/O优化：怎么高效地利用CPU进行网络数据处理？？？

一、相关概念

从操作系统层面怎么理解网络I/O呢？计算机的世界有一套自己定义的概念。如果不明白这些概念，就无法真正明白技术的设计思路和本质。所以在我看来，这些概念是了解技术和计算机世界的基础。

1.1 同步与异步，阻塞与非阻塞

理解网络I/O避不开的话题：同步与异步，阻塞与非阻塞。

拿山治烧水举例来说，(山治的行为好比用户程序，烧水好比内核提供的系统调用)，这两组概念翻译成大白话可以这么理解。

同步/异步关注的是水烧开之后需不需要我来处理。
阻塞/非阻塞关注的是在水烧开的这段时间是不是干了其他事。

1.1.1 同步阻塞

点火后，傻等，不等到水开坚决不干任何事（阻塞），水开了关火（同步）。

1.1.2 同步非阻塞

点火后，去看电视（非阻塞），时不时看水开了没有，水开后关火（同步）。

1.1.3 异步阻塞

按下开关后，傻等水开（阻塞），水开后自动断电（异步）。

网络编程中不存在的模型。

1.1.4 异步非阻塞

按下开关后，该干嘛干嘛（非阻塞），水开后自动断电（异步）。

1.2 内核空间、用户空间

内核负责网络和文件数据的读写。
用户程序通过系统调用获得网络和文件的数据。

1.2.1 内核态用户态

程序为读写数据不得不发生系统调用。
通过系统调用接口，线程从用户态切换到内核态，内核读写数据后，再切换回来。
进程或线程的不同空间状态。

1.2.2 线程的切换

用户态和内核态的切换耗时，费资源（内存、CPU）

优化建议：

更少的切换。
共享空间。

1.3 套接字 - socket

有了套接字，才可以进行网络编程。
应用程序通过系统调用socket(),建立连接，接收和发送数据（I / O）。
SOCKET 支持了非阻塞，应用程序才能非阻塞调用，支持了异步，应用程序才能异步调用

1.4 文件描述符 -FD 句柄

网络编程都需要知道FD？？？ FD是个什么鬼？？？

Linux：万物都是文件，FD就是文件的引用。像不像JAVA中万物都是对象?程序中操作的是对象的引用。JAVA中创建对象的个数有内存的限制，同样FD的个数也是有限制的。

Linux在处理文件和网络连接时，都需要打开和关闭FD。

每个进程都会有默认的FD：

0 标准输入 stdin
1 标准输出 stdout
2 错误输出 stderr

1.5 服务端处理网络请求的过程

连接建立后。
等待数据准备好（CPU 闲置）。
将数据从内核拷贝到进程中（CPU闲置）。

怎么优化呢？

对于一次I/O访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。
将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

正是因为这两个阶段，Linux系统升级迭代中出现了下面三种网络模式的解决方案。

二、IO模型介绍

2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O

简介：最原始的网络I/O模型。进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。

缺点：高并发时，服务端与客户端对等连接，线程多带来的问题：

CPU资源浪费，上下文切换。
内存成本几何上升，JVM一个线程的成本约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);            },"线程["+idx+"]" ).start();        }    }    static void handle(Socket socket) {        byte[] bytes = new byte[1024];        try {            String serverMsg = "  server sss[ 线程："+ 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

简介：进程反复系统调用，并马上返回结果。

缺点：当进程有1000fds,代表用户进程轮询发生系统调用1000次kernel，来回的用户态和内核态的切换，成本几何上升。

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);            },"线程["+idx+"]" ).start();        }    }    static void handle(SocketChannel socket) {        try {            socket.configureBlocking(false);            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);            socket.read(byteBuffer);            byteBuffer.flip();            System.out.println("请求：" + new String(byteBuffer.array()));            String resp = "服务器响应";            byteBuffer.get(resp.getBytes());            socket.write(byteBuffer);        } catch (IOException e) {            e.printStackTrace();        }    }

2.3 I/O 多路复用 - IO multiplexing

简介：单个线程就可以同时处理多个网络连接。内核负责轮询所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。多路复用在Linux内核代码迭代过程中依次支持了三种调用，即SELECT、POLL、EPOLL三种多路复用的网络I/O模型。下文将画图结合Java代码解释。

2.3.1 I/O 多路复用- select

简介：有连接请求抵达了再检查处理。

缺点：

句柄上限- 默认打开的FD有限制,1024个。
重复初始化-每次调用 select()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，内核进行遍历。
逐个排查所有FD状态效率不高。

服务端的select 就像一块布满插口的插排，client端的连接连上其中一个插口，建立了一个通道，然后再在通道依次注册读写事件。一个就绪、读或写事件处理时一定记得删除，要不下次还能处理。

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);//设置非阻塞        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，注册关心的事件 就绪        while(true) {            selector.select();            Set keys = selector.selectedKeys();            Iterator it = keys.iterator();            while(it.hasNext()) {                SelectionKey key = it.next();                it.remove();//处理的事件，必须删除                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);//设置非阻塞                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注册关心的事件 可读        } 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 多路复用 - poll

简介：设计新的数据结构(链表)提供使用效率。

poll和select相比在本质上变化不大，只是poll没有了select方式的最大文件描述符数量的限制。

缺点：逐个排查所有FD状态效率不高。

2.3.3 I/O 多路复用- epoll

简介：没有fd个数限制，用户态拷贝到内核态只需要一次，使用事件通知机制来触发。通过epoll_ctl注册fd，一旦fd就绪就会通过callback回调机制来激活对应fd，进行相关的I/O操作。

缺点：

跨平台，Linux 支持最好。
底层实现复杂。
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() {            @Override            public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {                serverChannel.accept(null, this);                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);                client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler() {                    @Override                    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {                        attachment.flip();                        client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//业务逻辑                    }                    @Override                    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {                        System.out.println(exc.getMessage());//失败处理                    }                });            }            @Override            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {                exc.printStackTrace();//失败处理            }        });        while (true) {            //不while true main方法一瞬间结束        }    }

当然上面的缺点相比较它优点都可以忽略。JDK提供了异步方式实现，但在实际的Linux环境中底层还是epoll，只不过多了一层循环，不算真正的异步非阻塞。而且就像上图中代码调用，处理网络连接的代码和业务代码解耦得不够好。Netty提供了简洁、解耦、结构清晰的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() {                    @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 处理网络请求的大管家（们），网络连接就绪时，交给workGroup干活的工人（们）。

三、总结

回顾

同步/异步，连接建立后，用户程序读写时，如果最终还是需要用户程序来调用系统read()来读数据，那就是同步的，反之是异步。Windows实现了真正的异步，内核代码甚为复杂，但对用户程序来说是透明的。
阻塞/非阻塞，连接建立后，用户程序在等待可读可写时，是不是可以干别的事儿。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多数操作系统都支持的。