從操作系統(tǒng)層面理解Linux下的網(wǎng)絡(luò)IO模型

2.3 I/O 多路復(fù)用 - IO multiplexing

簡(jiǎn)介：?jiǎn)蝹€(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。

2.3.1 I/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)：

• 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);
        }
    }

2.3.2 I/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。

2.3.3 I/O 多路復(fù)用- epoll

簡(jiǎn)介：沒有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epoll_ctl注冊(cè)fd，一旦fd就緒就會(huì)通過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)：

• 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）。

三、總結(jié)

回顧

• 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！

文章來(lái)源：宜信技術(shù)學(xué)院 & 宜信支付結(jié)算團(tuán)隊(duì)技術(shù)分享第8期-宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊(duì)高級(jí)工程師周勝帥《從操作系統(tǒng)層面理解Linux的網(wǎng)絡(luò)IO模型》

分享者：宜信支付結(jié)算部支付研發(fā)團(tuán)隊(duì)高級(jí)工程師周勝帥

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