Netty详解（二）Linux 网络IO模型

淩亂°似流年 2022-01-28 21:05 269阅读 0赞

# 1. Linux I/O基础知识 #

针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

有了用户空间和内核空间，整个linux内部结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是：硬件–>内核空间–>用户空间。我们都知道，为了OS的安全性等的考虑，进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。

![在这里插入图片描述][20190520100356702.png]

整个请求过程为： 用户进程发起请求，内核接受到请求后，从I/O设备中获取数据到buffer中，再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间，该用户进程获取到数据后再响应客户端。

# 2. Linux 网络I/O模型 #

在整个请求过程中，I/O设备数据输入至内核buffer需要时间，而从内核buffer复制数据至进程Buffer也需要时间。因此根据在这两段时间内等待方式的不同，I/O动作可以分为以下五种模式：

*  阻塞I/O (Blocking I/O)
 *  非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)
 *  I/O复用（I/O Multiplexing)
 *  信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)
 *  异步I/O (Asynchrnous I/O)

## 2.1 阻塞I/O (Blocking I/O) ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，内核就开始了IO的第一个阶段：等待数据准备。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候内核就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核中拷贝到用户内存，然后内核返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。 所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。（整个过程一直是阻塞的）

## 2.2 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O) ##

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

当用户进程调用recvfrom时，系统不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个ewouldblock错误，从用户进程角度讲 ，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果（这个结果就是ewouldblock ）。用户进程判断标志是ewouldblock时，就知道数据还没准备好，于是它就可以去做其他的事了，于是它可以再次发送recvfrom，一旦内核中的数据准备好了。并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。 当一个应用程序在一个循环里对一个非阻塞调用recvfrom，我们称为轮询。应用程序不断轮询内核，看看是否已经准备好了某些操作。这通常是浪费CPU时间。

## 2.3 I/O复用（I/O Multiplexing) ##

我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

Linux提供select/epoll，进程通过将一个或者多个fd传递给select或者poll系统调用，阻塞在select操作上，这样select/poll可以帮我们侦测多个fd是否处于就绪状态。select/poll是顺序扫描fd是否就绪，而且支持的fd数量有限，因此它的使用受到一定的限制。Linux还提供了一个epoll系统调用，epoll使用基于事件驱动的方式代替顺序扫描，因此性能更高一些。

> I/O复用模型具体流程：用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，内核会“监视”所有select负责的socket，当任何一个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，将数据从内核拷贝到用户进程。 这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个  
> system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

## 2.4 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O) ##

首先用户进程建立SIGIO信号处理程序，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数，这时用户进程便可以做其他的事了，一旦数据准备好，系统便为该进程生成一个SIGIO信号，去通知它数据已经准备好了，于是用户进程便调用recvfrom把数据从内核拷贝出来，并返回结果。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

## 2.5 异步I/O ##

一般来说，这些函数通过告诉内核启动操作并在整个操作（包括内核的数据到缓冲区的副本）完成时通知我们。这个模型和前面的信号驱动I/O模型的主要区别是，在信号驱动的I/O中，内核告诉我们何时可以启动I/O操作，但是异步I/O时，内核告诉我们何时I/O操作完成。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

当用户进程向内核发起某个操作后，会立刻得到返回，并把所有的任务都交给内核去完成（包括将数据从内核拷贝到用户自己的缓冲区），内核完成之后，只需返回一个信号告诉用户进程已经完成就可以了。

# 3. 五种Linux I/O网络模型对比 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
结果表明：前四个模型之间的主要区别是第一阶段，四个模型的第二阶段是一样的：过程受阻在调用recvfrom当数据从内核拷贝到用户缓冲区。然而，异步I/O处理两个阶段，与前四个不同。

**从同步、异步，以及阻塞、非阻塞两个维度来划分来看**：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

# 4. I/O多路复用技术 #

在I/O编程中，当需要同时处理多个客户端接入请求的时候，可以利用多线程或者I/O多路复用技术来进行处理。I/O多路复用技术是通过I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。

> I/O多路复用技术的优势:系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，而不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源，I/O多路复用技术的应用场景如下：

*  服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字
 *  服务器需要同时处理多种网络协议的套接字

目前支持的I/O多路复用的系统调用有select、pselect、poll、epoll，为了克服select的缺点，epoll作了很多重大的改进：

>  *  支持一个进程打开的socket描述符（FD）不受限制（仅受限于操作系统地最大文件句柄数）
>  *  I/O 效率不会随着FD的增加而直线下降
>  *  使用mmap加速内核与用户空间的消息传递
>  *  epoll的API更加简单

# 5. 四种I/O的对比 #

## 5.1 同步非阻塞I/O ##

在早期的JDK1.4和1.5update10版本之前，JDK的Selector基于select/poll模型实现，它是基于I/O复用技术的非阻塞I/O，不是异步I/O。在JDK1.5 update10和Linux2.6以上版本，Sun优化了Selector的实现，它在底层使用了epoll替换了select/poll，但是上层的API并没有变化。所以NIO还是一种同步非阻塞I/O

## 5.2 异步非阻塞I/O ##

在JDK1.7提供的AIO新增了异步的套接字通道，它是真正的异步I/O,在异步I/O操作的时候可以传递信号变量，当操作完成之后会回调相关的方法，异步I/O也称为AIO。

## 5.3 多路复用器Selector ##

多路复用器的核心就是通过Selector来轮询其上的Channel，当发现某个或者多个Channel处于就绪状态后，从阻塞状态返回就绪的Channel的选择键集合，进行I/O操作。由于多路复用器是NIO实现非阻塞的关键，它又是主要通过Selector实现的。

## 5.4 伪异步 I/O ##

## 5.5 不同I/O模型对比 ##

![xxx][]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220129/e988a608c43e466fb62282eebffdeeab.png
[20190520100356702.png]: /images/20220129/4ca4e6c8fc4a41ad8da97bd8a1c7199e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220129/1a548836242441d2b15a7738c9c0c819.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220129/0d8082d1270642609a553857aa13b78d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220129/b2455290d7c04702bc9dcf85679d7ab8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220129/d0c07bffd71848b79d6dd3f6de954109.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220129/a961393a668b4359906d84c6105dd9f7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20220129/635d736fa0f34a32b0f0094ffa4ae2d2.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20220129/9b7ad4bad5ba46989edddf858f594215.png
[xxx]: