深入剖析IO多路复用

你好,我是猿java。

IO多路复用技术,不管是面试,还是平时的技术积累,它都是一个重要的知识点,很多高性能的技术框架都有它的身影。那么,什么是 IO多路复用? IO多路复用 解决了什么问题?今天就我们就一起来盘盘它。

申明:本文基于linux系统
现如今,很多系统或者框架,底层都是通过Socket编程模型来实现网络通信,因此在讲解 IO多路复用之前我们先铺垫一下关于Socket的知识,以便大家更好的理解IO多路复用,关于Socket的知识,可以参考我往期的博文:猿java:你知道 Socket 是怎么创建的吗?如果你已经有了Scoket方面的知识可以跳过这一步。

有了对socket的认知后,我们再来看下常见的IO模型:

常见的IO模型

常见的网络 IO 模型分为四种:同步阻塞 IO(Blocking IO, BIO)、同步非阻塞IO(NIO)、IO 多路复用、异步非阻塞 IO(Async IO, AIO),其中AIO为异步IO,其他都是同步IO。

同步阻塞IO-BIO

同步阻塞IO:在线程处理过程中,如果涉及到IO操作,那么当前线程会被阻塞,直到IO处理完成,线程才接着处理后续流程。如下图,服务器针对客户端的每个socket都会分配一个新的线程处理,每个线程的业务处理分2步,当步骤1处理完成后遇到IO操作(比如:加载文件),这时候,当前线程会被阻塞,直到IO操作完成,线程才接着处理步骤2。

img.png

实际使用场景:在Java中使用线程池的方式去连接数据库,使用的就是同步阻塞IO模型。

模型的缺点:因为每个客户端存都需要一个新的线程,势必导致线程被频繁阻塞和切换带来开销。

同步非阻塞 IO-NIO(New IO)

同步非阻塞IO:在线程处理过程中,如果涉及到IO操作,那么当前的线程不会被阻塞,而是会去处理其他业务代码,然后等过段时间再来查询 IO 交互是否完成。如下图:Buffer 是一个缓冲区,用来缓存读取和写入的数据;Channel 是一个通道,负责后台对接 IO 数据;而 Selector 实现的主要功能,是主动查询哪些通道是处于就绪状态。Selector复用一个线程,来查询已就绪的通道,这样大大减少 IO 交互引起的频繁切换线程的开销。

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实际使用场景:Java NIO 正是基于这个 IO 交互模型,来支撑业务代码实现针对 IO 进行同步非阻塞的设计,从而降低了原来传统的同步阻塞 IO 交互过程中,线程被频繁阻塞和切换带的开销。NIO使用的经典案例是Netty框架,Elasticsearch底层实际上就是采用的这种机制。

IO 多路复用

下文会详细讲解

异步非阻塞 IO-AIO

AIO 是异步IO的缩写,即Asynchronized IO。对于AIO来说,它不是在IO准备好时再通知线程,而是在IO操作已经完成后,再给线程发出通知。因此,AIO是完全不会阻塞的。此时,我们的业务逻辑将变成一个回调函数,等待IO操作完成后,由系统自动触发。netty5中有使用到 AIO,但是花了大力气,netty5性能没能在netty4上有大的飞越,所以netty5最终被下线。

接下来就是我们今天的主角 IO多路复用 出场

什么是 IO多路复用?

想必我们在学习一个新技术或者新概念的时候,最大的疑问就是概念本身,IO多路复用也不例外,要想弄清楚 IO多路复用是什么,可以先从 IO多路复用中的”路“下手。

路:本意是道路,比如:城市的柏油路,乡村的泥巴路,这些大家肯定不陌生。
那么:IO中的路是指什么呢?

别着急,我们先还是看看 IO 是什么?

在计算机中,IO是输入和输出(Input/Output),直接信息交互是通过底层的 IO 设备来实现的。针对不同的操作对象,可以划分为磁盘I/O、网络I/O、内存映射I/O等,只要具有输入输出类型的交互系统都可以认为是I/O系统。
最后,一起看下”路“和”多路“

在socket 编程中,[ClientIp, ClientPort, ServerIp, ServerPort, Protocol] 5元素可以唯一标识一个socket 连接,基于这个前提,同一个服务的某个端口 可以和 n个客户端建立socket连接,可以通过下图来大致描述:
img_2.png

所以,每个客户端和服务器的socket 连接就可以看做”一路“,多个客户端和该服务器的socket连接就是”多路“,从而,IO多路就是多个socket连接上的输入输出流,复用就是多个socket连接上的输入输出流由一个线程处理。 因此 IO多路复用可以定义如下:

Linux中的 IO多路复用是指:一个线程处理多个IO流。

IO多路复用有哪些实现机制

先看下基础socket的模型,才能与下文IO多路复用机制形成对比,伪代码实现如下

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listenSocket = socket(); //系统调用socket()函数,调用创建一个主动socket
bind(listenSocket); //给主动socket绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动socket转换为服务器使用的被动socket(也叫监听socket)
while (true) { //循环监听客户端连接请求
connSocket = accept(listenSocket); //接受客户端连接,获取已连接socket
recv(connsocket); //从客户端读取数据,只能同时处理一个客户端
send(connsocket); //给客户端返回数据,只能同时处理一个客户端
}

实现网络通信流程如下图:

img_3.png

基础socket模型,能够实现服务器端和客户端之间的通信,但是程序每调用一次 accept 函数,只能处理一个客户端连接,当有大量的客户端连接时,这种模型处理性能比较差。因此 Linux 提供了高性能的IO多路复用机制来解决这种困境。

在Linux中,操作系统提供了select、poll 和 epoll 三种 IO多路复用机制,我们主要围绕下面4个方面来分析三种多路复用机制实现的原理:

  • IO多路复用可以监听多少个socket?
  • IO多路复用可以监听socket里面的哪些事件?
  • IO多路复用如何感知已就绪的文件描述符fd?
  • IO多路复用如何实现网络通信?

select机制

select机制中一个重要的函数是 select(),函数有4个入参,返回一个整数,select()原型和参数详情如下:

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/**
* 参数说明
* 监听的文件描述符数量__nfds、
* 被监听描述符的三个集合*__readfds,*__writefds和*__exceptfds
* 监听时阻塞等待的超时时长*__timeout
* 返回值:返回一个socket对应的文件描述符
*/

int select(int __nfds, fd_set * __readfds, fd_set * __writefds, fd_set * __exceptfds, struct timeval * __timeout)

select 可以监听多少个socket?

答案:1024

select可以监听socket 的哪些事件?

答案:select() 函数有三个fd_set集合,表示监听的三类事件,分别是读数据事件(__readfds集合)、写数据事件(__writefds集合)和异常事件(__exceptfds集合),当集合为NULL时,代表不需要处理对应的事件。

select 如何感知已就绪的fd?

答案:需要遍历fd集合,才能找到就绪的描述符。

select 机制怎么实现网络通信?

代码实现:

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int sock_fd,conn_fd; //监听socket和已连接socket的变量
sock_fd = socket() //创建socket
bind(sock_fd) //绑定socket
listen(sock_fd) //在socket上进行监听,将socket转为监听socket

fd_set rset; //被监听的描述符集合,关注描述符上的读事件
int max_fd = sock_fd

//初始化rset数组,使用FD_ZERO宏设置每个元素为0
FD_ZERO(&rset);
//使用FD_SET宏设置rset数组中位置为sock_fd的文件描述符为1,表示需要监听该文件描述符
FD_SET(sock_fd,&rset);

//设置超时时间
struct timeval timeout;
timeout.tv_sec = 3;
timeout.tv_usec = 0;
while(1) {
//调用select函数,检测rset数组保存的文件描述符是否已有读事件就绪,返回就绪的文件描述符个数
n = select(max_fd+1, &rset, NULL, NULL, &timeout);

//调用FD_ISSET宏,在rset数组中检测sock_fd对应的文件描述符是否就绪
if (FD_ISSET(sock_fd, &rset)) {
//如果sock_fd已经就绪,表明已有客户端连接;调用accept函数建立连接
conn_fd = accept();
//设置rset数组中位置为conn_fd的文件描述符为1,表示需要监听该文件描述符
FD_SET(conn_fd, &rset);
}

//依次检查已连接套接字的文件描述符
for (i = 0; i < maxfd; i++) {
//调用FD_ISSET宏,在rset数组中检测文件描述符是否就绪
if (FD_ISSET(i, &rset)) {
//有数据可读,进行读数据处理
}
}
}

select实现网络通信流程如下图:

img_4.png

select 函数存在的不足

首先,select()函数对单个进程能监听的文件描述符数量是有限制的,它能监听的文件描述符个数由 __FD_SETSIZE 决定,默认值是 1024。

其次,当 select 函数返回后,需要遍历描述符集合,才能找到就绪的描述符。这个遍历过程会产生一定开销,从而降低程序的性能。

poll机制

poll 机制的主要函数是 poll() 函数,poll()函数原型定义

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/**
* 参数 *__fds 是 pollfd 结构体数组,pollfd 结构体里包含了要监听的描述符,以及该描述符上要监听的事件类型
* 参数 __nfds 表示的是 *__fds 数组的元素个数
* __timeout 表示 poll 函数阻塞的超时时间
*/
int poll (struct pollfd *__fds, nfds_t __nfds, int __timeout);
pollfd结构体的定义

struct pollfd {
int fd; //进行监听的文件描述符
short int events; //要监听的事件类型
short int revents; //实际发生的事件类型
};

pollfd 结构体中包含了三个成员变量 fd、events 和 revents,分别表示要监听的文件描述符、要监听的事件类型和实际发生的事件类型。

poll 可以监听多少个socket?

答案:自定义,但是需要系统能够承受

poll 可以监听socket里面的哪些事件?

pollfd 结构体中要监听和实际发生的事件类型,是通过以下三个宏定义来表示的,分别是 POLLRDNORM、POLLWRNORM 和 POLLERR,它们分别表示可读、可写和错误事件。

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#define POLLRDNORM 0x040 //可读事件
#define POLLWRNORM 0x100 //可写事件
#define POLLERR 0x008 //错误事件

poll 如何获取已就绪fd?

答案:和select差不多,需要遍历fd集合,才能找到就绪的描述符。

poll 机制怎么实现网络通信?

poll实现代码:

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int sock_fd,conn_fd; //监听套接字和已连接套接字的变量
sock_fd = socket() //创建套接字
bind(sock_fd) //绑定套接字
listen(sock_fd) //在套接字上进行监听,将套接字转为监听套接字

//poll函数可以监听的文件描述符数量,可以大于1024
#define MAX_OPEN = 2048

//pollfd结构体数组,对应文件描述符
struct pollfd client[MAX_OPEN];

//将创建的监听套接字加入pollfd数组,并监听其可读事件
client[0].fd = sock_fd;
client[0].events = POLLRDNORM;
maxfd = 0;

//初始化client数组其他元素为-1
for (i = 1; i < MAX_OPEN; i++)
client[i].fd = -1;

while(1) {
//调用poll函数,检测client数组里的文件描述符是否有就绪的,返回就绪的文件描述符个数
n = poll(client, maxfd+1, &timeout);
//如果监听套件字的文件描述符有可读事件,则进行处理
if (client[0].revents & POLLRDNORM) {
//有客户端连接;调用accept函数建立连接
conn_fd = accept();

//保存已建立连接套接字
for (i = 1; i < MAX_OPEN; i++){
if (client[i].fd < 0) {
client[i].fd = conn_fd; //将已建立连接的文件描述符保存到client数组
client[i].events = POLLRDNORM; //设置该文件描述符监听可读事件
break;
}
}
maxfd = i;
}

//依次检查已连接套接字的文件描述符
for (i = 1; i < MAX_OPEN; i++) {
if (client[i].revents & (POLLRDNORM | POLLERR)) {
//有数据可读或发生错误,进行读数据处理或错误处理
}
}
}

poll实现网络通信流程如下图:
img_5.png

poll机制解决了select的单个进程最大只能监听1024个socket的限制,但是并没有解决轮询获取就绪fd的问题。

epoll机制

epoll的结构

epoll是2.6内核中提出,使用 epoll_event 结构体来记录待监听的fd及其监听的事件类型的。

epoll_event 结构体以及 epoll_data 结构体的定义:

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typedef union epoll_data
{
...
int fd; //记录文件描述符
...
} epoll_data_t;


struct epoll_event
{
uint32_t events; //epoll监听的事件类型
epoll_data_t data; //应用程序数据
};

epoll的接口比较简单,一共有三个函数:

  1. int epoll_create(int size);

创建一个epoll的句柄,size用来告诉内核这个监听的数目一共有多大。epoll 实例内部维护了两个结构,分别是记录要监听的fd和已经就绪的fd,而对于已经就绪的文件描述符来说,它们会被返回给用户程序进行处理。

  1. int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

epoll的事件注册函数,epoll_ctl向 epoll对象中添加、修改或者删除感兴趣的事件,成功返回0,否则返回–1。此时需要根据errno错误码判断错误类型。它不同与select()是在监听事件时告诉内核要监听什么类型的事件,而是在这里先注册要监听的事件类型。epoll_wait方法返回的事件必然是通过 epoll_ctl添加到 epoll中的。

  1. int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

等待事件的产生,类似于select()调用。参数events用来从内核得到事件的集合,maxevents是events集合的大小,且不大于epoll_create()时的size,参数timeout是超时时间(毫秒,0会立即返回,-1将不确定,也有说法说是永久阻塞)。函数返回需要处理的事件数目,返回0表示已超时,返回–1表示错误,需要检查 errno错误码判断错误类型。

关于epoll的ET和LT两种工作模式

epoll有两种工作模式:LT(水平触发)模式和ET(边缘触发)模式。

默认情况下,epoll采用 LT模式工作,可以处理阻塞和非阻塞socket,而上表中的 EPOLLET表示可以将一个事件改为 ET模式。ET模式的效率要比 LT模式高,它只支持非阻塞套接字。

ET模式与LT模式的区别

当一个新的事件到来时,ET模式下可以从 epoll_wait调用中获取到这个事件,可是如果这次没有把这个事件对应的套接字缓冲区处理完,在这个套接字没有新的事件再次到来时,在 ET模式下是无法再次从 epoll_wait调用中获取这个事件的;而 LT模式则相反,只要一个事件对应的套接字缓冲区还有数据,就总能从 epoll_wait中获取这个事件。因此,在 LT模式下开发基于 epoll的应用要简单一些,不太容易出错,而在 ET模式下事件发生时,如果没有彻底地将缓冲区数据处理完,则会导致缓冲区中的用户请求得不到响应。

epoll 可以监听多少个socket?

答案:自定义,但是需要系统能够承受

epoll 如何获取已就绪fd?

答案:epoll实例内部维护了两个结构,分别是记录要监听的fd和已经就绪的fd,可以监听就绪的fd

epllo如何实现网络通信?

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int sock_fd,conn_fd; //监听socket和已连接socket的变量
sock_fd = socket() //创建主动socket
bind(sock_fd) //绑定socket
listen(sock_fd) //在socket进行监听,将socket转为监听socket

epfd = epoll_create(EPOLL_SIZE); //创建epoll实例,
//创建epoll_event结构体数组,保存socket对应文件描述符和监听事件类型
ep_events = (epoll_event*)malloc(sizeof(epoll_event) * EPOLL_SIZE);

//创建epoll_event变量
struct epoll_event ee
//监听读事件
ee.events = EPOLLIN;
//监听的文件描述符是刚创建的监听socket
ee.data.fd = sock_fd;

//将监听socket加入到监听列表中
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_fd, &ee);

while (1) {
//等待返回已经就绪的描述符
n = epoll_wait(epfd, ep_events, EPOLL_SIZE, -1);
//遍历所有就绪的描述符
for (int i = 0; i < n; i++) {
//如果是监听socket描述符就绪,表明有一个新客户端连接到来
if (ep_events[i].data.fd == sock_fd) {
conn_fd = accept(sock_fd); //调用accept()建立连接
ee.events = EPOLLIN;
ee.data.fd = conn_fd;
//添加对新创建的已连接socket描述符的监听,监听后续在已连接socket上的读事件
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, conn_fd, &ee);

} else { //如果是已连接socket描述符就绪,则可以读数据
...//读取数据并处理
}
}
}

epoll 进行网络通信的流程如下图:

img_6.png

三者的差异

IO多路复用机制 监听文件描述符最大限制 如何查找就绪的文件描述符
select 1024 遍历文件描述符集合
poll 自定义 遍历文件描述符集合
epoll 自定义 epoll_wait返回就绪的文件描述符

实现网络通信的对照图,方便大家看出差异点:

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实现网络通信的对照图

4. 使用IO多路复用的技术框架

  • redis:Redis 的ae_select.c和ae_epoll.c文件,就分别使用了 select 和 epoll 这两种机制,实现 IO 多路复用;

  • nginx:Nginx支持epoll、select、kqueue等不同操作系统下的各种IO多路复用方式;Nginx是通过 ET模式使用 epoll。

  • Reactor框架,netty:无论 C++ 还是 Java,在高性能的网络编程框架的编写上,大多数都是基于 Reactor 模式,其中最为典型的便是 Java 的 Netty 框架,而 Reactor 模式是基于 IO 多路复用的;

总结

本文分析了多种 IO模型,重点讲解了 IO多路复用原理及其每种方式的源码分析,因为 IO多路复用模型对于理解Redis,Nginx等高性能框架太有帮助,所以建议大家参照源码,多多揣摩。

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