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认识网络IO模型

zhenjun_gan 2023-03-28 原文
  • BIO模型

    在Linux中,默认情况下所有socket都是阻塞模式。用户线程调用系统函数read()【system call】,内核开始准备数据(从磁盘/网络获取数据),内核准备数据完成后,用户线程完成数据从内核拷贝到用户空间的应用程序缓冲区,数据拷贝完成后,请求才返回。从发起read请求到完成内核到应用程序的拷贝,整个过程都是阻塞的。

    为了减轻线程阻塞的弊端,实际上,每个Read/Write请求都会分配单独线程进行单独处理。在低并发时期,这种每个请求每线程的处理方式是可以应付的,但是如果在高并发期间(如:业务高峰期),就会分配大量的线程完成请求处理。因此会带来非常大的性能损耗。
  • NIO模型

    用户线程在发起Read请求后立即返回,不用等待内核准备数据的过程。如果Read请求没读取到数据,用户线程会不断轮询发起Read请求,直到数据到达(内核准备好数据)后才停止轮询。
    非阻塞IO模型虽然避免了由于线程阻塞问题带来的大量线程消耗,但是频繁的重复轮询大大增加了请求次数,对CPU消耗也比较明显。
  • 多路复用模型

    多路复用IO模型,建立在多路事件分离函数select,poll,epoll之上。在发起read请求前,先更新select的socket监控列表,然后等待select(或poll或epoll)函数返回(此过程是阻塞的)。当某个socket有数据到达时,select函数返回。此时用户线程才正式发起read或write请求,处理数据。这种模式用一个专门的监视线程去检查多个socket,如果某个socket有数据到达就交给工作线程处理。由于等待Socket数据到达过程非常耗时,所以这种方式解决了阻塞IO模型一个Socket连接就需要一个线程的问题,也不存在非阻塞IO模型忙轮询带来的CPU性能损耗的问题。

    多路复用的本质,在我看来其实就是通过尽可能少(预期一次)的系统调用(system call),就可以拿到所有socket的状态(是否可读),然后程序只需要对那些返回状态为可读或可写的socket进行处理。

     1 // NIO核心代码
     2 // 初始化
     3 channel = ServerSocketChannel.open();
     4 channel.bind(port);
     5 channel.configureBlocking(false);
     6 // selector 注册accept事件
     7 selector = Selector.open(); 
     8 channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
     9 while(true){
    10     while(selector.select(timeout)>0){ // 有新的事件
    11         // 获取到可处理的 Socket
    12         Set<SelectionKey> keySet = selector.selectedKeys();
    13         Iterator<SelectionKey> iter = keySet.iterator();
    14         while (iter.hasNext()) {    // 循环处理,处理之后应该从迭代器中移除
    15             SelectionKey key = iter.next();
    16             iter.remove();
    17             if (key.isAcceptable()) {    // 新连接 acceptHandle(key); }
    18             else if (key.isReadable()) {  // 读事件 readHandle(key);  }
    19             else if (key.isWritable()) {  // 写事件 writeHandle(key);  }
    20     }
    21 }
    22 }
    View Code

实际上,linux的多路复用有三种实现方式,select和poll以及epoll,它们之间的关系是进化关系,性能都是递进的。

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