Netty是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架，所以從最本質(zhì)的角度來看，是對網(wǎng)絡(luò)I/O模型的封裝使用。

因此，要深刻理解Netty的高性能，也必須從網(wǎng)絡(luò)I/O模型說起。

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看完本文，可以回答這三個問題：

• 五種I/O模型是什么?核心區(qū)別在哪里?
• 同步=阻塞?異步=非阻塞?
• Netty的高性能，是采用了哪種I/O模型?

1.掌握五種I/O模型的關(guān)鍵鑰匙

Unix系統(tǒng)下的五種基本I/O模型大家應(yīng)該都有所耳聞，分為：

• blocking I/O(同步阻塞IO,BIO)
• nonblocking I/O(同步非阻塞IO，NIO)
• I/O multiplexing (I/O多路復(fù)用)
• signal driven I/O(信號驅(qū)動I/O)
• asynchronous I/O(異步I/O，AIO)

每種I/O的特性如何，尤其是同步/非同步、阻塞/非阻塞的區(qū)別，其實很多人并不能準(zhǔn)確地進(jìn)行區(qū)分。

所以，我們先把最核心的“鑰匙”告訴大家，帶著這把“鑰匙”再來看I/O模型的關(guān)鍵問題，就能手到擒來了。

當(dāng)一次網(wǎng)絡(luò)IO發(fā)生時，主要涉及到三個對象：

• 發(fā)起此次IO操作的Process或者Application
• 系統(tǒng)內(nèi)核kernel。用戶進(jìn)程無法直接操作I/O設(shè)備，必須通過系統(tǒng)內(nèi)核kernel與I/O設(shè)備交互。
• I/O設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)、磁盤等。本文主要針對網(wǎng)絡(luò)。

真正的I/O過程，主要分為兩個階段：

• 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段。
• 數(shù)據(jù)拷貝階段。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，從內(nèi)核kernel拷貝到進(jìn)程process中

以一個socket上的輸入操作為例。

第一步通常涉及等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)。當(dāng)所等待分組到達(dá)時，它被復(fù)制到內(nèi)核中的某個緩沖區(qū)。

第二步就是把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到用戶態(tài)緩沖區(qū)。

這里，我們先記住這 兩個階段，掌握所有I/O模型區(qū)別的“關(guān)鍵鑰匙”就在它們身上。

2.五種I/O模型詳解

2.1 同步阻塞I/O, BIO

我們一般使用最多的，最基礎(chǔ)的I/O模型就是同步阻塞I/O。

典型應(yīng)用：

阻塞socket、Java BIO

我們來解讀一下BIO的過程：

• 應(yīng)用進(jìn)程向內(nèi)核發(fā)起 I/O 請求，發(fā)起調(diào)用的線程 一直阻塞，等待內(nèi)核返回結(jié)果。
• 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，從內(nèi)核kernel拷貝到用戶態(tài)內(nèi)存(仍舊阻塞)，然后kernel返回結(jié)果，用戶進(jìn)程process結(jié)束阻塞，重新運行。

“關(guān)鍵鑰匙”分析：

BIO的特點就是在IO執(zhí)行的 兩個階段 都被 阻塞 了。

所以，我們?nèi)粘Ｊ褂肂IO模型的時候，提高性能的方式，就是采用 多線程。

在一般的場景中，多線程模型下的BIO是成本較低、收益較高的方式。但是，如果在高并發(fā)的場景下，過多的創(chuàng)建線程，會嚴(yán)重占據(jù)系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)對外界響應(yīng)效率。

那是不是可以考慮使用“線程池”或者“連接池”呢?

一定程度上可以。“池化”的目的在于減少創(chuàng)建和銷毀線程的頻率，讓空閑的線程重新承擔(dān)新的執(zhí)行任務(wù)，維持一個合理的線程數(shù)量，可以很好的降低系統(tǒng)開銷。

但是，“池化”技術(shù)只能一定程度上緩解了頻繁調(diào)用IO接口帶來的資源占用。如果“池”上限100，而我們需要1000的IO，那并不能解決性能問題，這是由于BIO模型本身的限制決定的。

所以，需要非阻塞I/O來嘗試解決這個問題。

2.2 同步非阻塞I/O, NIO

BIO的阻塞問題，讓我們考慮使用非阻塞的NIO模型。

典型應(yīng)用：

socket的非阻塞模式

應(yīng)用進(jìn)程向內(nèi)核發(fā)起 I/O 請求后，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，不再會“阻塞”等待結(jié)果，而是會立即返回。

從用戶進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個IO操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結(jié)果。

用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個error時，它就知道數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，于是它開始發(fā)起輪訓(xùn)操作。

直到kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，一旦用戶再輪訓(xùn)過來，就馬上將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存，然后返回。

所以，在非阻塞式IO中，用戶進(jìn)程其實是需要不斷地主動詢問kernel數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了沒有。

“關(guān)鍵鑰匙”分析：

非阻塞NIO模型相比于BIO的顯著差異在于，在“數(shù)據(jù)等待”階段，不再“阻塞”，立即返回。

但是在“數(shù)據(jù)拷貝”階段，仍然是“阻塞”的。

雖然非阻塞模型避免了“數(shù)據(jù)等待”階段的阻塞，但是，采用輪詢方式，會導(dǎo)致系統(tǒng)上下文切換開銷很大，會大幅度推高CPU 占用率。

因此，單獨使用非阻塞 I/O 模型的效率并不高。而且隨著并發(fā)量的提升，非阻塞 I/O 會存在嚴(yán)重的性能浪費。

我們可以看到，輪訓(xùn)的目的只是檢測“數(shù)據(jù)是否已經(jīng)就緒”，而操作系統(tǒng)提供了更為高效的檢測接口，

例如select()多路復(fù)用模式，可以一次檢測多個連接是否活躍。

2.3 多路復(fù)用IO

多路復(fù)用實現(xiàn)了一個線程處理多個 I/O 句柄的操作，有些地方也稱這種IO方式為事件驅(qū)動IO(event driven IO)。

多路 指的是多個數(shù)據(jù)通道

復(fù)用 指的是使用一個或多個固定線程來處理每一個 Socket。

典型應(yīng)用：

select、poll、epoll三種方案

Java NIO

多個的進(jìn)程的IO可以注冊到一個復(fù)用器(selector)上，然后用一個進(jìn)程調(diào)用select，select會監(jiān)聽所有注冊進(jìn)來的IO。

如果selector所有監(jiān)聽的IO在內(nèi)核緩沖區(qū)都沒有可讀數(shù)據(jù)，select調(diào)用進(jìn)程會被阻塞;同時，kernel會“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的socket，如果任何一個socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會返回;

然后select調(diào)用進(jìn)程可以自己或通知另外的進(jìn)程(注冊進(jìn)程)來再次發(fā)起讀取IO，然后process將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進(jìn)程，讀取內(nèi)核中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。

可以看到，多個進(jìn)程注冊IO后，只有一個select調(diào)用進(jìn)程被阻塞。

多路復(fù)用解決了同步阻塞 I/O 和同步非阻塞 I/O 的問題，是一種非常高效的 I/O 模型。我們可以直觀看到，這個模型的好處在于單個process就可以同時處理多個網(wǎng)絡(luò)連接的IO。

“關(guān)鍵鑰匙”分析：

多路復(fù)用I/O，select階段，對于多路socket的“數(shù)據(jù)等待”階段而言，是“非阻塞”。

對單個socket的“數(shù)據(jù)拷貝”階段，也是“阻塞”。

這里需要特別注意!!!!

其實如果處理的IO數(shù)不多的情況下，使用多路復(fù)用IO的web server不一定比使用 池化+BIO 的web server性能更好，可能延遲還更大。

考慮極端情況下，只有一個IO，多路復(fù)用需要 2 次系統(tǒng)調(diào)用(select + recvfrom)，而BIO只需要 1 次系統(tǒng)調(diào)用(recvfrom)。

所以，多路復(fù)用IO的優(yōu)勢并不是對于單個連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。

2.4 信號驅(qū)動I/O

在使用信號驅(qū)動 I/O 時，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，內(nèi)核通過發(fā)送一個 SIGIO 信號通知應(yīng)用進(jìn)程，應(yīng)用進(jìn)程就可以開始讀取數(shù)據(jù)了。

信號驅(qū)動I/O模型的最大特點，就是不需要process進(jìn)程不斷輪訓(xùn)內(nèi)核是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。

“關(guān)鍵鑰匙”分析：

信號驅(qū)動I/O在"數(shù)據(jù)等待"階段“非阻塞”。

當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后，信號通知process，process開始“數(shù)據(jù)拷貝”階段，這里仍然是“阻塞”的。

信號驅(qū)動 I/O 有幾個缺陷：

1)在大量 IO 操作時可能會因為信號隊列溢出導(dǎo)致沒法通知。

2)信號驅(qū)動 I/O 盡管對于處理 UDP 套接字來說有用，信號通知意味著到達(dá)一個數(shù)據(jù)報，或者返回一個異步錯誤。

但是，對于 TCP 而言，信號驅(qū)動的 I/O 方式不太好用。因為導(dǎo)致信號通知的情況有非常多種，每一個來進(jìn)行判別會消耗很大資源。

所以信號驅(qū)動I/O模式用得非常少。

而且尤其需要注意，在“數(shù)據(jù)拷貝”階段，它仍然是“阻塞”的。

2.5 異步I/O，AIO

真正的異步I/O，就是AIO。

典型應(yīng)用：

JAVA7 AIO、高性能服務(wù)器

根據(jù)前面四個模型的分析，相信大家已經(jīng)能明顯看懂這個模型的運行方式了。

用戶進(jìn)程發(fā)起I/O請求后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當(dāng)它收到一個請求之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block。然后，kernel會等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)這一切都完成之后，kernel會給用戶進(jìn)程發(fā)送一個signal，告訴它I/O操作完成了。

AIO最重要的一點是 從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝數(shù)據(jù)到用戶態(tài)緩沖區(qū)的過程也是由系統(tǒng)異步完成，應(yīng)用進(jìn)程只需要在指定的數(shù)組中引用數(shù)據(jù)即可。

AIO 與信號驅(qū)動 I/O 的主要區(qū)別：

信號驅(qū)動 I/O 由內(nèi)核通知何時可以開始一個 I/O 操作，而異步 I/O 由內(nèi)核通知 I/O 操作何時已經(jīng)完成。

“關(guān)鍵鑰匙”分析：

"數(shù)據(jù)等待"階段，非阻塞

"數(shù)據(jù)拷貝”階段，非阻塞

AIO是真正的異步模型，它不會對請求進(jìn)程產(chǎn)生任何的阻塞。

3. 同步=阻塞?異步=非阻塞?

日常使用過程中，我們往往把 同步I/O 等同于 阻塞I/O，異步I/O 等同于 非阻塞I/O。

實際上，嚴(yán)格意義來說，這兩組概念還是有很大的區(qū)別的。

3.1 阻塞I/O 與 非阻塞I/O

阻塞與非阻塞的區(qū)別比較明顯，也很好理解。

結(jié)合I/O模型來說，阻塞I/O會一直block對應(yīng)的進(jìn)程直到操作完成，而非阻塞 IO在kernel 在"等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備"階段會立刻返回。

所以我們一般認(rèn)為，阻塞I/O只有BIO，另外四個模型都是屬于非阻塞I/O。

3.2 同步I/O 與 異步I/O

先來看看 同步I/O 和 異步I/O 的定義是什么，根據(jù)POSIX的定義：

• 同步I/O : A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
• 異步I/O : An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

兩者的區(qū)別就在于同步I/O做 "IO operation”的時候會將process阻塞。

那么按照這個定義，我們看看前面每個模型的“關(guān)鍵鑰匙”分析部分，可以明顯看到，BIO，NIO，IO多路復(fù)用、信號驅(qū)動IO 四種模型都屬于 同步IO。

因為它們在IO的第二階段，真正執(zhí)行“數(shù)據(jù)拷貝”的階段，都是“阻塞”的。以NIO為例，在執(zhí)行recvfrom這個系統(tǒng)調(diào)用的時候，如果kernel的數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好，這時候不會block進(jìn)程。但是當(dāng)kernel中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時候，recvfrom會將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶內(nèi)存中，這個時候進(jìn)程是被block了。

同理，信號驅(qū)動IO，當(dāng)內(nèi)核中IO數(shù)據(jù)就緒時以SIGIO信號通知請求進(jìn)程，請求進(jìn)程再把數(shù)據(jù)從內(nèi)核讀入到用戶空間，這一步也是阻塞的。

所以，真正的異步I/O只有一個，就是AIO。當(dāng)進(jìn)程發(fā)起IO操作之后，就直接返回再也不管了，直到kernel發(fā)送一個信號，告訴進(jìn)程說IO完成。在這整個過程中，進(jìn)程完全沒有被阻塞。如定義所說，不會因為IO操作阻塞。

4. Netty采用了哪種I/O模型呢?

Netty 的 I/O 模型是基于非阻塞 I/O 實現(xiàn)的，底層依賴的是 JDK NIO 框架的多路復(fù)用器 Selector。

一個多路復(fù)用器 Selector 可以同時輪詢多個 Channel，采用 epoll 模式后，只需要一個線程負(fù)責(zé) Selector 的輪詢，就可以接入成千上萬的客戶端。

更具體的實現(xiàn)方式和模型，我們下一期再展開說明。

對了，一定有同學(xué)想問，Netty為什么不采用AIO呢?

因為 AIO 的目的是希望 I/O 線程不阻塞主線程，屬于異步 I/O，由內(nèi)核通知 I/O 操作何時完成。AIO 適用于連接數(shù)多的且需要長時間連接的場景。

對于AIO來說，目前操作系統(tǒng)支持程度有限且實現(xiàn)起來復(fù)雜。

Netty也嘗試過AIO，但是效果不是很理想，最終廢棄了。

參考書目：

《UNIX Network Programming(Volume1,3rd)》