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RPC设计应该使用哪种网络IO模型？

JavaEdge 2023-03-28 原文
网络通信在RPC调用中起到什么作用呢？RPC是解决进程间通信的一种方式。一次RPC调用，本质就是服务消费者与服务提供者间的一次网络信息交换的过程。服务调用者通过网络IO发送一条请求消息，服务提供者接收并解析，处理完相关的业务逻辑之后，再发送一条响应消息给服务调用者，服务调用者接收并解析响应消息，处理完相关的响应逻辑，一次RPC调用便结束了。可以说，网络通信是整个RPC调用流程的基础。

1 常见网络I/O模型

两台PC机之间网络通信，就是两台PC机对网络IO的操作。

同步阻塞IO、同步非阻塞IO（NIO）、IO多路复用和异步非阻塞IO（AIO）。只有AIO为异步IO，其他都是同步IO。

1.1 同步阻塞I/O（BIO）

Linux默认所有socket都是blocking。

应用进程发起IO系统调用后，应用进程被阻塞，转到内核空间处理。之后，内核开始等待数据，等待到数据后，再将内核中的数据拷贝到用户内存中，整个IO处理完毕后返回进程。最后应用的进程解除阻塞状态，运行业务逻辑。

系统内核处理IO操作分为两阶段：

  • • 等待数据系统内核在等待网卡接收到数据后，把数据写到内核中
  • • 拷贝数据系统内核在获取到数据后，将数据拷贝到用户进程的空间
在这两个阶段，应用进程中IO操作的线程会一直都处于阻塞状态，若基于Java多线程开发，每个IO操作都要占用线程，直至IO操作结束。

用户线程发起read调用后就阻塞了，让出CPU。内核等待网卡数据到来，把数据从网卡拷贝到内核空间，接着把数据拷贝到用户空间，再把用户线程叫醒。

1.2 IO多路复用（IO multiplexing）

高并发场景中使用最为广泛的一种IO模型，如Java的NIO、Redis、Nginx的底层实现就是此类IO模型的应用：

  • • 多路，即多个通道，即多个网络连接的IO
  • • 复用，多个通道复用在一个复用器
多个网络连接的IO可注册到一个复用器（select），当用户进程调用select，整个进程会被阻塞。同时，内核会“监视”所有select负责的socket，当任一socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核中拷贝到用户进程。

当用户进程发起select调用，进程会被阻塞，当发现该select负责的socket有准备好的数据时才返回，之后才发起一次read，整个流程比阻塞IO要复杂，似乎更浪费性能。但最大优势在于，用户可在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可注册多个socket，然后不断调用select读取被激活的socket，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中，必须通过多线程实现。

好比我们去餐厅吃饭，这次我们是几个人一起去的，我们专门留了一个人在餐厅排号等位，其他人就去逛街了，等排号的朋友通知我们可以吃饭了，我们就直接去享用。

本质上多路复用还是同步阻塞。

1.3 为何阻塞IO，IO多路复用最常用？

网络IO的应用上，需要的是系统内核的支持及编程语言的支持。

大多系统内核都支持阻塞IO、非阻塞IO和IO多路复用，但像信号驱动IO、异步IO，只有高版本Linux系统内核支持。

无论C++还是Java，在高性能的网络编程框架都是基于Reactor模式，如Netty，Reactor模式基于IO多路复用。非高并发场景，同步阻塞IO最常见。

应用最多的、系统内核与编程语言支持最为完善的，便是阻塞IO和IO多路复用，满足绝大多数网络IO应用场景。

1.4 RPC框架选择哪种网络IO模型？

IO多路复用适合高并发，用较少进程（线程）处理较多socket的IO请求，但使用难度较高。

阻塞IO每处理一个socket的IO请求都会阻塞进程（线程），但使用难度较低。在并发量较低、业务逻辑只需要同步进行IO操作的场景下，阻塞IO已满足需求，并且不需要发起select调用，开销比IO多路复用低。

RPC调用大多数是高并发调用，综合考虑，RPC选择IO多路复用。最优框架选择即基于Reactor模式实现的框架Netty。Linux下，也要开启epoll提升系统性能。

2 零拷贝（Zero-copy）

2.1 网络IO读写流程

应用进程的每次写操作，都把数据写到用户空间的缓冲区，CPU再将数据拷贝到系统内核缓冲区，再由DMA将这份数据拷贝到网卡，由网卡发出去。一次写操作数据要拷贝两次才能通过网卡发送出去，而用户进程读操作则是反过来，数据同样会拷贝两次才能让应用程序读到数据。

应用进程一次完整读写操作，都要在用户空间与内核空间中来回拷贝，每次拷贝，都要CPU进行一次上下文切换（由用户进程切换到系统内核，或由系统内核切换到用户进程），这样是不是很浪费CPU和性能呢？那有没有什么方式，可以减少进程间的数据拷贝，提高数据传输的效率呢？

这就要零拷贝：取消用户空间与内核空间之间的数据拷贝操作，应用进程每一次的读写操作，都让应用进程向用户空间写入或读取数据，就如同直接向内核空间写或读数据一样，再通过DMA将内核中的数据拷贝到网卡，或将网卡中的数据copy到内核。

2.2 实现

是不是用户空间与内核空间都将数据写到一个地方，就不需要拷贝了？想到虚拟内存吗？

虚拟内存

零拷贝有两种实现：

mmap+write

通过虚拟内存来解决。

sendfile

Nginx sendfile

3 Netty零拷贝

RPC框架在网络通信框架的选型基于Reactor模式实现的框架，如Java首选Netty。那Netty有零拷贝机制吗？Netty框架中的零拷贝和我之前讲的零拷贝又有什么不同呢？

上节的零拷贝是os层的零拷贝，为避免用户空间与内核空间之间的数据拷贝操作，可提升CPU利用率。

而Netty零拷贝不大一样，他完全站在用户空间，即JVM上，偏向于数据操作的优化。

Netty这么做的意义

传输过程中，RPC不会把请求参数的所有二进制数据整体一下子发送到对端机器，中间可能拆分成好几个数据包，也可能合并其他请求的数据包，所以消息要有边界。一端的机器收到消息后，就要对数据包处理，根据边界对数据包进行分割和合并，最终获得一条完整消息。

那收到消息后，对数据包的分割和合并，是在用户空间完成，还是在内核空间完成的呢？

当然是在用户空间，因为对数据包的处理工作都是由应用程序来处理的，那么这里有没有可能存在数据的拷贝操作？可能会存在，当然不是在用户空间与内核空间之间的拷贝，是用户空间内部内存中的拷贝处理操作。Netty的零拷贝就是为了解决这个问题，在用户空间对数据操作进行优化。

那么Netty是怎么对数据操作进行优化的呢？

  • • Netty 提供了 CompositeByteBuf 类，它可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf，避免了各个 ByteBuf 之间的拷贝。
  • • ByteBuf 支持 slice 操作，因此可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的 ByteBuf，避免了内存的拷贝。
  • • 通过 wrap 操作，我们可以将 byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer 等包装成一个 Netty ByteBuf 对象, 进而避免拷贝操作。
Netty框架中很多内部的ChannelHandler实现类，都是通过CompositeByteBuf、slice、wrap操作来处理TCP传输中的拆包与粘包问题的。

Netty解决用户空间与内核空间之间的数据拷贝

Netty 的 ByteBuffer 采用 Direct Buffers，使用堆外直接内存进行Socket的读写操作，最终的效果与我刚才讲解的虚拟内存所实现的效果一样。

Netty 还提供 FileRegion 中包装 NIO 的 FileChannel.transferTo() 方法实现了零拷贝，这与Linux 中的 sendfile 方式在原理一样。

4 总结

零拷贝带来的好处就是避免没必要的CPU拷贝，让CPU解脱出来去做其他的事，同时也减少了CPU在用户空间与内核空间之间的上下文切换，从而提升了网络通信效率与应用程序的整体性能。

Netty零拷贝与os的零拷贝有别，Netty零拷贝偏向于用户空间中对数据操作的优化，这对处理TCP传输中的拆包粘包问题有重要意义，对应用程序处理请求数据与返回数据也有重要意义。

RPC设计data-id复用data网络通信技术$RPCIO

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