Redis，Nginx，Netty为什么这么香？

2019-12-26

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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！

图片来自 Pexels

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？

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。

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketss=newServerSocket();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));intidx=0;while(true){finalSocketsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"线程["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(Socketsocket){byte[]bytes=newbyte[1024];try{StringserverMsg="serversss[线程："+Thread.currentThread().getName()+"]";socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法socket.getOutputStream().flush();}catch(Exceptione){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。

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelss=ServerSocketChannel.open();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));System.out.println("NIOServerstarted...");ss.configureBlocking(false);intidx=0;while(true){finalSocketChannelsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"线程["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(SocketChannelsocket){try{socket.configureBlocking(false);ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);socket.read(byteBuffer);byteBuffer.flip();System.out.println("请求："+newString(byteBuffer.array()));Stringresp="服务器响应";byteBuffer.get(resp.getBytes());socket.write(byteBuffer);}catch(IOExceptione){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。

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelssc=ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocketssc.socket().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));ssc.configureBlocking(false);//设置非阻塞System.out.println("NIOsingleserverstarted,listeningon:"+ssc.getLocalAddress());Selectorselector=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()){SelectionKeykey=it.next();it.remove();//处理的事件，必须删除handle(key);}}}privatestaticvoidhandle(SelectionKeykey)throwsIOException{if(key.isAcceptable()){ServerSocketChannelssc=(ServerSocketChannel)key.channel();SocketChannelsc=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}elseif(key.isReadable()){//flipSocketChannelsc=null;sc=(SocketChannel)key.channel();ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(512);buffer.clear();intlen=sc.read(buffer);if(len!=-1){System.out.println("["+Thread.currentThread().getName()+"]recv:"+newString(buffer.array(),0,len));}ByteBufferbufferToWrite=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。

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsException{finalAsynchronousServerSocketChannelserverChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));serverChannel.accept(null,newCompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,Object>(){@Overridepublicvoidcompleted(finalAsynchronousSocketChannelclient,Objectattachment){serverChannel.accept(null,this);ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer,buffer,newCompletionHandler<Integer,ByteBuffer>(){@Overridepublicvoidcompleted(Integerresult,ByteBufferattachment){attachment.flip();client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//业务逻辑}@Overridepublicvoidfailed(Throwableexc,ByteBufferattachment){System.out.println(exc.getMessage());//失败处理}});}@Overridepublicvoidfailed(Throwableexc,Objectattachment){exc.printStackTrace();//失败处理}});while(true){//不whiletruemain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。

publicstaticvoidmain(String[]args){newNettyServer().serverStart();System.out.println("Nettyserverstarted!");}publicvoidserverStart(){EventLoopGroupbossGroup=newNioEventLoopGroup();EventLoopGroupworkerGroup=newNioEventLoopGroup();ServerBootstrapb=newServerBootstrap();b.group(bossGroup,workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(newChannelInitializer<SocketChannel>(){@OverrideprotectedvoidinitChannel(SocketChannelch)throwsException{ch.pipeline().addLast(newHandler());}});try{ChannelFuturef=b.localAddress(Constant.HOST,Constant.PORT).bind().sync();f.channel().closeFuture().sync();}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}finally{workerGroup.shutdownGracefully();bossGroup.shutdownGracefully();}}}classHandlerextendsChannelInboundHandlerAdapter{@OverridepublicvoidchannelRead(ChannelHandlerContextctx,Objectmsg)throwsException{ByteBufbuf=(ByteBuf)msg;ctx.writeAndFlush(msg);ctx.close();}@OverridepublicvoidexceptionCaught(ChannelHandlerContextctx,Throwablecause)throwsException{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

Redis，Nginx，Netty为什么这么香？

相关概念

同步与异步，阻塞与非阻塞

I/O 模型

总结