Redis，Nginx，Netty為什么這么香？
Redis，Nginx，Netty，Node.js 為什么這么香？這些技術(shù)都是伴隨 Linux 內(nèi)核迭代中提供了高效處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的。今天我們從操作系統(tǒng)層面理解 Linux 下的網(wǎng)絡(luò) IO 模型！
圖片來(lái)自 Pexels
I/O（ INPUT/OUTPUT），包括文件 I/O、網(wǎng)絡(luò) I/O。計(jì)算機(jī)世界里的速度鄙視：
- 內(nèi)存讀數(shù)據(jù)：納秒級(jí)別。
- 千兆網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)：微妙級(jí)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(jí)別。1 毫秒=10 萬(wàn)納秒 ，硬盤比內(nèi)存慢了 10 萬(wàn)倍。
- CPU 一個(gè)時(shí)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(yuǎn)大于 I/O 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的速度 。任何編程語(yǔ)言都會(huì)遇到這種 CPU 處理速度和 I/O 速度不匹配的問(wèn)題！
在網(wǎng)絡(luò)編程中如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) I/O 優(yōu)化？怎么高效地利用 CPU 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理？
相關(guān)概念
從操作系統(tǒng)層面怎么理解網(wǎng)絡(luò) I/O 呢？計(jì)算機(jī)的世界有一套自己定義的概念。
如果不明白這些概念，就無(wú)法真正明白技術(shù)的設(shè)計(jì)思路和本質(zhì)。所以在我看來(lái)，這些概念是了解技術(shù)和計(jì)算機(jī)世界的基礎(chǔ)。
同步與異步，阻塞與非阻塞
理解網(wǎng)絡(luò) 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(lái)說(shuō)，(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(guān)注的是水燒開之后需不需要我來(lái)處理。
- 阻塞/非阻塞關(guān)注的是在水燒開的這段時(shí)間是不是干了其他事。
同步阻塞：點(diǎn)火后，傻等，不等到水開堅(jiān)決不干任何事（阻塞），水開了關(guān)火（同步）。
同步非阻塞：點(diǎn)火后，去看電視（非阻塞），時(shí)不時(shí)看水開了沒(méi)有，水開后關(guān)火（同步）。
異步阻塞：按下開關(guān)后，傻等水開（阻塞），水開后自動(dòng)斷電（異步）。
網(wǎng)絡(luò)編程中不存在的模型。
異步非阻塞：按下開關(guān)后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動(dòng)斷電（異步）。
內(nèi)核空間 、用戶空間
內(nèi)核空間 、用戶空間如上圖：
- 內(nèi)核負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)和文件數(shù)據(jù)的讀寫。
- 用戶程序通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用獲得網(wǎng)絡(luò)和文件的數(shù)據(jù)。
內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)如上圖：
程序?yàn)樽x寫數(shù)據(jù)不得不發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用。
通過(guò)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(lái)。
進(jìn)程或線程的不同空間狀態(tài)。
線程的切換如上圖，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗時(shí)，費(fèi)資源（內(nèi)存、CPU）。
優(yōu)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。
- 應(yīng)用程序通過(guò)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(yīng)用程序才能非阻塞調(diào)用，支持了異步，應(yīng)用程序才能異步調(diào)用。
文件描述符：FD 句柄
網(wǎng)絡(luò)編程都需要知道 FD？？？FD 是個(gè)什么鬼？？？Linux：萬(wàn)物都是文件，F(xiàn)D 就是文件的引用。
像不像 Java 中萬(wàn)物都是對(duì)象？程序中操作的是對(duì)象的引用。Java 中創(chuàng)建對(duì)象的個(gè)數(shù)有內(nèi)存的限制，同樣 FD 的個(gè)數(shù)也是有限制的。
Linux 在處理文件和網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，都需要打開和關(guān)閉 FD。
每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有默認(rèn)的 FD：
- 0 標(biāo)準(zhǔn)輸入 stdin
- 1 標(biāo)準(zhǔn)輸出 stdout
- 2 錯(cuò)誤輸出 stderr
服務(wù)端處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的過(guò)程
服務(wù)端處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的過(guò)程如上圖：
- 連接建立后。
- 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好（CPU 閑置）。
- 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中（CPU 閑置）。
怎么優(yōu)化呢？對(duì)于一次 I/O 訪問(wèn)（以 read 舉例），數(shù)據(jù)會(huì)先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)，然后才會(huì)從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應(yīng)用程序的地址空間。
所以說(shuō)，當(dāng)一個(gè) read 操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
- 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)。
- 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
正是因?yàn)檫@兩個(gè)階段，Linux 系統(tǒng)升級(jí)迭代中出現(xiàn)了下面三種網(wǎng)絡(luò)模式的解決方案。
I/O 模型
阻塞 I/O：Blocking I/O
簡(jiǎn)介：最原始的網(wǎng)絡(luò) I/O 模型。進(jìn)程會(huì)一直阻塞，直到數(shù)據(jù)拷貝完成。
缺點(diǎn)：高并發(fā)時(shí)，服務(wù)端與客戶端對(duì)等連接。
線程多帶來(lái)的問(wèn)題：
- CPU 資源浪費(fèi)，上下文切換。
- 內(nèi)存成本幾何上升，JVM 一個(gè)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(jiǎn)介：進(jìn)程反復(fù)系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回結(jié)果。
缺點(diǎn)：當(dāng)進(jìn)程有 1000fds，代表用戶進(jìn)程輪詢發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用 1000 次 kernel，來(lái)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(qǐng)求：" + new String(byteBuffer.array()));
- String resp = "服務(wù)器響應(yīng)";
- byteBuffer.get(resp.getBytes());
- socket.write(byteBuffer);
- } catch (IOException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
I/O 多路復(fù)用：IO multiplexing
簡(jiǎn)介：單個(gè)線程就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接。內(nèi)核負(fù)責(zé)輪詢所有 Socket，當(dāng)某個(gè) Socket 有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程。
多路復(fù)用在 Linux 內(nèi)核代碼迭代過(guò)程中依次支持了三種調(diào)用，即 Select、Poll、Epoll 三種多路復(fù)用的網(wǎng)絡(luò) I/O 模型。下文將畫圖結(jié)合 Java 代碼解釋。
①I/O 多路復(fù)用：Select
簡(jiǎn)介：有連接請(qǐng)求抵達(dá)了再檢查處理。
缺點(diǎn)如下：
- 句柄上限：默認(rèn)打開的 FD 有限制，1024 個(gè)。
- 重復(fù)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(jìn)行遍歷。
- 逐個(gè)排查所有 FD 狀態(tài)效率不高。
服務(wù)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(gè)插口，建立了一個(gè)通道，然后再在通道依次注冊(cè)讀寫事件。
一個(gè)就緒、讀或?qū)懯录幚頃r(shí)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(shè)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(cè)關(guān)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(shè)置非阻塞
- sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注冊(cè)關(guān)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(fù)用：Poll
簡(jiǎn)介：設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(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(méi)有了 Select 方式的最大文件描述符數(shù)量的限制。
缺點(diǎn)：逐個(gè)排查所有 FD 狀態(tài)效率不高。
③I/O 多路復(fù)用：Epoll
簡(jiǎn)介：沒(méi)有 FD 個(gè)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(jī)制來(lái)觸發(fā)。
通過(guò) epoll_ctl 注冊(cè) FD，一旦 FD 就緒就會(huì)通過(guò) Callback 回調(diào)機(jī)制來(lái)激活對(duì)應(yīng) FD，進(jìn)行相關(guān)的 I/O 操作。
缺點(diǎn)如下：
- 跨平臺(tái)，Linux 支持最好。
- 底層實(shí)現(xiàn)復(fù)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(wù)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(jié)束
- }
- }
當(dāng)然上面的缺點(diǎn)相比較它的優(yōu)點(diǎn)都可以忽略。JDK 提供了異步方式實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際的 Linux 環(huán)境中底層還是 Epoll，只不過(guò)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(luò)連接的代碼和業(yè)務(wù)代碼解耦得不夠好。
Netty 提供了簡(jiǎn)潔、解耦、結(jié)構(gòu)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(luò)請(qǐng)求的大管家（們），網(wǎng)絡(luò)連接就緒時(shí)，交給 workGroup 干活的工人（們）。
總結(jié)
回顧上文總結(jié)如下：
- 同步/異步，連接建立后，用戶程序讀寫時(shí)，如果最終還是需要用戶程序來(lái)調(diào)用系統(tǒng) read() 來(lái)讀數(shù)據(jù)，那就是同步的，反之是異步。Windows 實(shí)現(xiàn)了真正的異步，內(nèi)核代碼甚為復(fù)雜，但對(duì)用戶程序來(lái)說(shuō)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(shí)，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。
Redis，Nginx，Netty，Node.js 為什么這么香？這些技術(shù)都是伴隨 Linux 內(nèi)核迭代中提供了高效處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的。
了解計(jì)算機(jī)底層的知識(shí)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(jiǎn)介：宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊(duì)高級(jí)工程師
編輯：陶家龍、孫淑娟
出處：轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)野指針，專注分享技術(shù)人的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，包括但不限于技術(shù)點(diǎn)解析、技術(shù)心得、實(shí)踐案例、技術(shù)人成長(zhǎng)等。
