Redis，Nginx，Netty为什么这么香?

Redis，Nginx，Netty，Node.js 为什么这么香？这些技术都是伴随 Linux 内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。今天我们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？

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。

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。

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）。

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）。

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。

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）。

内核空间 、用户空间

内核空间 、用户空间如上图：

• 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。

内核态、用户态如上图：

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。

线程的切换如上图，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。

套接字：Socket

套接字作用如下：

• 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。

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

服务端处理网络请求的过程

服务端处理网络请求的过程如上图：

• 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。

I/O 模型

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();?????????}?????}?

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();?????????}?????}?

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。

①I/O 多路复用：Select

简介：有连接请求抵达了再检查处理。

缺点如下：

• 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<SelectionKey>?keys?=?selector.selectedKeys();?????????????Iterator<SelectionKey>?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);?????????}?????}?

②I/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。

③I/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。

缺点如下：

• 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<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()));//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的优点都可以忽略。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<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 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）。

总结

回顾上文总结如下：

• 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。

Redis，Nginx，Netty，Node.js 为什么这么香？这些技术都是伴随 Linux 内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。

了解计算机底层的知识才能更深刻地理解 I/O，知其然，更要知其所以然。与君共勉！

作者：周胜帅

简介：宜信支付结算部支付研发团队高级工程师