深入理解NIO的原理

2020-06-08 本文已影响0人南园故剑00

网络IO模型优化

最开始的阻塞式IO,它在每一个连接创建时，都需要一个用户线程来处理，并且在IO操作没有就绪或者结束时，线程被挂起，进入阻塞等待状态，阻塞式IO就成为导致性能瓶颈的根本原因。

阻塞式发生在那些环节呢？

首先，应用程序通过系统调用socket创建一个套接字，他是分配给应用程序的一个文件描述符
其次，应用程序会通过系统调用bind，绑定地址和端口号，给套接字命名一个名称
然后，系统会调用listen创建一个队列用于存放客户端进来的请求
最后，应用服务会通过系统嗲用accept来监听客户端的连接请求

当有一个客户端连接到服务端之后，服务端就会调用fork创建一个子进程，通过系统调用read监听客户端发来的消息，再通过write向客户端返回信息。

1. 阻塞式IO

在整个socket通信工作流程中，socket的默认状态是阻塞的。也就是说，当发出一个不能立即完成的套接字调用时，其进程将被阻塞，被系统挂起，进入睡眠状态，一直等待响应的操作响应。

connect阻塞：

当客户端发起TCP请求，通过系统调用connect函数，TCP连接的建立需要完成三次握手过程，客户端需要等待服务端发送过来的ACK以及SYN信号，同样服务端也需要阻塞等待客户端连接的ACK信号，这就意味着会阻塞等待，直到确认连接。

accept阻塞：

一个阻塞的socket通信的服务端接收外来连接，会调用accept函数，如果没有新的连接到达，调用进程将被挂起，进入阻塞状态。

read、write阻塞

当一个socket连接创建成功之后，服务端用fork函数创建一个子进程，调用read函数等待客户端的数据写入，如果没有数据写入，调用子进程将被挂起，进入阻塞状态。

2. 非阻塞式IO

使用fcntl可以把以上三个操作都设置为非阻塞操作。如果没有数据返回，就会直接返回一个EWOULDBLOCK或EAGAIN错误，此时进程将不会一直被阻塞。
当我们把以上操作设置为了非阻塞状态，我们需要设置一个线程对该操作进行轮询检查，这是最传统的非阻塞IO模型。

3. IO复用

如果使用用户线程轮询查看一个IO操作的状态，在大量请求的情况下，这对于CPU的使用率是灾难。
linux提供了IO复用函数select/poll/epoll，进程将一个或多个读操作通过系统调用函数，阻塞在函数操作上。这样，系统内核就可以帮助我们侦测多个读操作是否处于就绪状态。

select()函数

在超时时间内，监听用户感兴趣的文件描述符上的可读可写和异常事件的发生。
linux操作系统的内核将所有外部设备都看做一个文件来操作，对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，返回一个文件描述符fd。
select() 函数监视的文件描述符分 3 类，分别是 writefds（写文件描述符）、readfds（读文件描述符）以及 exceptfds（异常事件文件描述符）。
调用后select()函数会阻塞，直到有描述符就绪或者超时，函数返回。当select函数返回后，可以通过函数FD_ISSET比那里fdset，来找到就绪的描述符。
fd_set可以理解而我一个集合，这个集合中存放的是文件描述符。

epoll()函数

select是顺序描述fd是否就绪，而且支持fd数量不宜过大。
epoll使用事件驱动的方式代替轮询扫描fd。
epoll实现通过epoll_ctl来注册一个文件描述符，将文件描述符存放到内核的一个事件表中，这个事件是基于红黑树实现的，所以在大量IO请求的场景下，
插入和删除的性能比select/poll的数组fd_set要好，因此epoll的性能更胜一筹，而且不会受到fd数量的限制。
一旦某个文件描述符就绪时，内核会采用类似 callback 的回调机制，迅速激活这个文件描述符，当进程调用 epoll_wait() 时便得到通知，之后进程将完成相关 I/O 操作。

4. 信号驱动式IO

信号驱动式IO类似于观察者模式，内核就是一个观察者，信号回调则是通知。用户进程发起一个IO请求操作，会通过系统调用sigaction函数，给对应的套接字注册一个信号回调，
此时不阻塞用户进程，进程会继续工作。当内核数据就绪时，内核就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知进行相关IO操作。

5. 异步IO

在 NIO 服务端通信编程中，首先会创建一个 Channel，用于监听客户端连接；接着，创建多路复用器 Selector，并将 Channel 注册到 Selector，程序会通过 Selector 来轮询注册在其上的 Channel，当发现一个或多个 Channel 处于就绪状态时，返回就绪的监听事件，最后程序匹配到监听事件，进行相关的 I/O 操作。