I/O( INPUT OUTPUT),包括文件I/O、網絡I/O。
計算機世界裏的速度鄙視:
-
內存讀數據:納秒級別。
- 千兆網卡讀數據:微妙級別。1微秒=1000納秒,網卡比內存慢了千倍。
- 磁盤讀數據:毫秒級別。1毫秒=10萬納秒 ,硬盤比內存慢了10萬倍。
- CPU一個時鐘週期1納秒上下,內存算是比較接近CPU的,其他都等不起。
CPU 處理數據的速度遠大於I/O準備數據的速度 。
任何編程語言都會遇到這種CPU處理速度和I/O速度不匹配的問題!
在網絡編程中如何進行網絡I/O優化:怎麼高效地利用CPU進行網絡數據處理???
相關概念
從操作系統層面怎麼理解網絡I/O呢? 計算機的世界有一套自己定義的概念。如果不明白這些概念,就無法真正明白技術的設計思路和本質。所以在我看來,這些概念是瞭解技術和計算機世界的基礎。
1.1 同步與異步,阻塞與非阻塞
理解網絡I/O避不開的話題:同步與異步,阻塞與非阻塞。拿山治燒水舉例來說,(山治的行爲好比用戶程序,燒水好比內核提供的系統調用),這兩組概念翻譯成大白話可以這麼理解。
- 同步/異步關注的是水燒開之後需不需要我來處理。
- 阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是幹了其他事。
1.1.1 同步阻塞
點火後,傻等,不等到水開堅決不幹任何事(阻塞),水開了關火(同步)。
1.1.2 同步非阻塞
點火後,去看電視(非阻塞),時不時看水開了沒有,水開後關火(同步)。
1.1.3 異步阻塞
按下開關後,傻等水開(阻塞),水開後自動斷電(異步)。
網絡編程中不存在的模型。
1.1.4 異步非阻塞
按下開關後,該幹嘛幹嘛 (非阻塞),水開後自動斷電(異步)。
1.2 內核空間 、用戶空間
- 內核負責網絡和文件數據的讀寫。
- 用戶程序通過系統調用獲得網絡和文件的數據。
1.2.1 內核態 用戶態
- 程序爲讀寫數據不得不發生系統調用。
- 通過系統調用接口,線程從用戶態切換到內核態,內核讀寫數據後,再切換回來。
- 進程或線程的不同空間狀態。
1.2.2 線程的切換
用戶態和內核態的切換耗時,費資源(內存、CPU)優化建議:
- 更少的切換。
- 共享空間。
1.3 套接字 – socket
- 有了套接字,纔可以進行網絡編程。
- 應用程序通過系統調用socket(),建立連接,接收和發送數據(I / O)。
- SOCKET 支持了非阻塞,應用程序才能非阻塞調用,支持了異步,應用程序才能異步調用
1.4 文件描述符 –FD 句柄
網絡編程都需要知道FD???FD是個什麼鬼???Linux:萬物都是文件,FD就是文件的引用。像不像JAVA中萬物都是對象?程序中操作的是對象的引用。JAVA中創建對象的個數有內存的限制,同樣FD的個數也是有限制的。
Linux在處理文件和網絡連接時,都需要打開和關閉FD。每個進程都會有默認的FD:
- 0 標準輸入 stdin
- 1 標準輸出 stdout
- 2 錯誤輸出 stderr
1.5 服務端處理網絡請求的過程
- 連接建立後。
- 等待數據準備好(CPU 閒置)。
- 將數據從內核拷貝到進程中(CPU閒置)。
怎麼優化呢?對於一次I/O訪問(以read舉例),數據會先被拷貝到操作系統內核的緩衝區,然後纔會從操作系統內核的緩衝區拷貝到應用程序的地址空間。所以說,當一個read操作發生時,它會經歷兩個階段:
- 等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)。
- 將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
正是因爲這兩個階段,Linux系統升級迭代中出現了下面三種網絡模式的解決方案。
I/O模型
2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O
簡介:最原始的網絡I/O模型。進程會一直阻塞,直到數據拷貝完成。缺點:高併發時,服務端與客戶端對等連接,線程多帶來的問題:
- CPU資源浪費,上下文切換。
- 內存成本幾何上升,JVM一個線程的成本約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();
}
}
2.2 非阻塞 I/O - Non Blocking IO
簡介:進程反覆系統調用,並馬上返回結果。缺點:當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發生系統調用1000次kernel,來回的用戶態和內核態的切換,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("請求:" + new String(byteBuffer.array()));
String resp = "服務器響應";
byteBuffer.get(resp.getBytes());
socket.write(byteBuffer);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
2.3 I/O 多路複用 - IO multiplexing
簡介:單個線程就可以同時處理多個網絡連接。內核負責輪詢所有socket,當某個socket有數據到達了,就通知用戶進程。多路複用在Linux內核代碼迭代過程中依次支持了三種調用,即SELECT、POLL、EPOLL三種多路複用的網絡I/O模型。下文將畫圖結合Java代碼解釋。
2.3.1 I/O 多路複用- select
簡介:有連接請求抵達了再檢查處理。缺點:
- 句柄上限- 默認打開的FD有限制,1024個。
- 重複初始化-每次調用 select(),需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態,內核進行遍歷。
- 逐個排查所有FD狀態效率不高。
服務端的select 就像一塊佈滿插口的插排,client端的連接連上其中一個插口,建立了一個通道,然後再在通道依次註冊讀寫事件。一個就緒、讀或寫事件處理時一定記得刪除,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,註冊關心的事件 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);//設置非阻塞
sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上,註冊關心的事件 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 多路複用 – poll
簡介:設計新的數據結構(鏈表)提供使用效率。poll和select相比在本質上變化不大,只是poll沒有了select方式的最大文件描述符數量的限制。缺點:逐個排查所有FD狀態效率不高。
2.3.3 I/O 多路複用- epoll
簡介:沒有fd個數限制,用戶態拷貝到內核態只需要一次,使用事件通知機制來觸發。通過epoll_ctl註冊fd,一旦fd就緒就會通過callback回調機制來激活對應fd,進行相關的I/O操作。缺點:
- 跨平臺,Linux 支持最好。
- 底層實現複雜。
- 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()));//業務邏輯
}
@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方法一瞬間結束
}
}
當然上面的缺點相比較它優點都可以忽略。JDK提供了異步方式實現,但在實際的Linux環境中底層還是epoll,只不過多了一層循環,不算真正的異步非阻塞。而且就像上圖中代碼調用,處理網絡連接的代碼和業務代碼解耦得不夠好。Netty提供了簡潔、解耦、結構清晰的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 處理網絡請求的大管家(們),網絡連接就緒時,交給workGroup幹活的工人(們)。
總結
回顧
-
同步/異步,連接建立後,用戶程序讀寫時,如果最終還是需要用戶程序來調用系統read()來讀數據,那就是同步的,反之是異步。Windows實現了真正的異步,內核代碼甚爲複雜,但對用戶程序來說是透明的。
- 阻塞/非阻塞,連接建立後,用戶程序在等待可讀可寫時,是不是可以幹別的事兒。如果可以就是非阻塞,反之阻塞。大多數操作系統都支持的。
Redis,Nginx,Netty,Node.js 爲什麼這麼香?
這些技術都是伴隨Linux內核迭代中提供了高效處理網絡請求的系統調用而出現的。瞭解計算機底層的知識才能更深刻地理解I/O,知其然,更要知其所以然。與君共勉!