I/O( INPUT OUTPUT),包括文件I/O、网络I/O。
计算机世界里的速度鄙视:
CPU 处理数据的速度远大于I/O准备数据的速度 。
任何编程语言都会遇到这种CPU处理速度和I/O速度不匹配的问题!
在网络编程中如何进行网络I/O优化: 怎么高效地利用CPU进行网络数据处理? ? ?
01
相关概念
从操作系统层面怎么理解网络I/O呢? 计算机的世界有一套自己定义的概念。如果不明白这些概念,就无法真正明白技术的设计思路和本质。所以在我看来,这些概念是了解技术和计算机世界的基础。
理解网络I/O避不开的话题:同步与异步,阻塞与非阻塞。
拿山治烧水举例来说,(山治的行为好比用户程序,烧水好比内核提供的系统调用),这两组概念翻译成大白话可以这么理解。
点火后,傻等,不等到水开坚决不干任何事(阻塞),水开了关火(同步)。
1.1.2 同步非阻塞
点火后,去看电视(非阻塞),时不时看水开了没有,水开后关火(同步)。
1.1.3 异步阻塞
按下开关后,傻等水开(阻塞),水开后自动断电(异步)。
网络编程中不存在的模型。
按下开关后,该干嘛干嘛 (非阻塞),水开后自动断电(异步)。
1.2 内核空间 、用户空间
用户态和内核态的切换耗时,费资源(内存、CPU)
优化建议:
网络编程都需要知道FD? ??FD是个什么鬼???
linux:万物都是文件,FD就是文件的引用。像不像JAVA中万物都是对象?程序中操作的是对象的引用。JAVA中创建对象的个数有内存的限制,同样FD的个数也是有限制的。
Linux在处理文件和网络连接时,都需要打开和关闭FD。
每个进程都会有默认的FD:
怎么优化呢?
对于一次I/O访问(以read举例),数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。
所以说,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:
正是因为这两个阶段,Linux系统升级迭代中出现了下面三种网络模式的解决方案。
02
I/O模型
2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O
简介:最原始的网络I/O模型。进程会一直阻塞,直到数据拷贝完成。
缺点:高并发时,服务端与客户端对等连接,线程多带来的问题:
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket ss = new ServerSocket(); ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); int idx =0; while (true) { final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法 new Thread(() -> { handle(socket); },"线程["+idx+"]" ).start(); } } static void handle(Socket socket) { byte[] bytes = new byte[1024]; try { String serverMsg = " server sss[ 线程:"+ Thread.currentThread().getName() +"]"; socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法 socket.getOutputStream().flush(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }
简介: 进程反复系统调用,并马上返回结果。
缺点: 当进程有1000fds,代表用户进程轮询发生系统调用1000次kernel,来回的用户态和内核态的切换,成本几何上升。
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open(); ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); System.out.println(" NIO server started ... "); ss.configureBlocking(false); int idx =0; while (true) { final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法 new Thread(() -> { handle(socket); },"线程["+idx+"]" ).start(); } } static void handle(SocketChannel socket) { try { socket.configureBlocking(false); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); socket.read(byteBuffer); byteBuffer.flip(); System.out.println("请求:" + new String(byteBuffer.array())); String resp = "服务器响应"; byteBuffer.get(resp.getBytes()); socket.write(byteBuffer); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }
简介: 单个线程就可以同时处理多个网络连接。 内核负责轮询所有socket,当某个socket有数据到达了,就通知用户进程。 多路复用在Linux内核代码迭代过程中依次支持了三种调用,即SELECT、POLL、EPOLL三种多路复用的网络I/O模型。 下文将画图结合Java代码解释。
简介: 有连接请求抵达了再检查处理。
缺点:
服务端的select 就像一块布满插口的插排,client端的连接连上其中一个插口,建立了一个通道,然后再在通道依次注册读写事件。 一个就绪、读或写事件处理时一定记得删除,要不下次还能处理。
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); ssc.configureBlocking(false);//设置非阻塞 System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress()); Selector selector = Selector.open(); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上,注册关心的事件 就绪 while(true) { selector.select(); Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator(); while(it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); it.remove();//处理的事件,必须删除 handle(key); } } } private static void handle(SelectionKey key) throws IOException { if(key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false);//设置非阻塞 sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上,注册关心的事件 可读 } else if (key.isReadable()) { //flip SocketChannel sc = null; sc = (SocketChannel)key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512); buffer.clear(); int len = sc.read(buffer); if(len != -1) { System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len)); } ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()); sc.write(bufferToWrite); } }
简介: 设计新的数据结构(链表)提供使用效率。
poll和select相比在本质上变化不大,只是poll没有了select方式的最大文件描述符数量的限制。
缺点: 逐个排查所有FD状态效率不高。
简介: 没有fd个数限制,用户态拷贝到内核态只需要一次,使用事件通知机制来触发。 通过epoll_ctl注册fd,一旦fd就绪就会通过callback回调机制来激活对应fd,进行相关的I/O操作。
缺点:
public static void main(String[] args) throws Exception { final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() .bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { @Override public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) { serverChannel.accept(null, this); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { attachment.flip(); client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//业务逻辑 } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { System.out.println(exc.getMessage());//失败处理 } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace();//失败处理 } }); while (true) { //不while true main方法一瞬间结束 } }
当然上面的缺点相比较它优点都可以忽略。 JDK提供了异步方式实现,但在实际的Linux环境中底层还是epoll,只不过多了一层循环,不算真正的异步非阻塞。 而且就像上图中代码调用,处理网络连接的代码和业务代码解耦得不够好。 Netty提供了简洁、解耦、结构清晰的API。
public static void main(String[] args) { new NettyServer().serverStart(); System.out.println("Netty server started !"); } public void serverStart() { EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); b.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NIOServerSocketChannel.class) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ch.pipeline().addLast(new Handler()); } }); try { ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync(); f.channel().closeFuture().sync(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { workerGroup.shutdownGracefully(); bossGroup.shutdownGracefully(); } } } class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter { @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; ctx.writeAndFlush(msg); ctx.close(); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }
bossGroup 处理网络请求的大管家(们),网络连接就绪时,交给workGroup干活的工人(们)。
03
总结
这些技术都是伴随Linux内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。 了解计算机底层的知识才能更深刻地理解I/O,知其然,更要知其所以然。
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