高并发IO的底层原理
2022-06-20 18:35:52 8 举报Netty学习必备的基础知识，也是JavaIO的底层原理，包括IO操作原理和三种IO模型，个人学习总结，不对的地方还请指正。
作者其他创作
大纲/内容
1.IO读写的基础原理
1.1内核缓冲区和进程缓冲区
缓冲区的目的，是为了减少频繁的与外部物理设备的直接交互，计算机的外部物理设备与内存与CPU相比，差别是非常大的，外部设备的直接读写，涉及到操作系统的中断，操作系统中断时，需要保存之前的进程数据和状态等信息，中断完成后，需要恢复之前的进程数据等信息。为了减少底层操作系统的频繁中断所带来的性能损耗、时间损耗，于是出现了内核缓冲区。
有了内核缓冲区，操作系统会对内存缓冲区进行监控，等待缓冲区到达一定数量的时候，再进行IO设备的中断处理，集中执行物理设备的IO操作，通过这种机制来提升系统的性能。
上层应用程序使用read系统调用时，仅仅把数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程缓冲区；上层应用使用write系统调用时，仅仅把数据从用户空间的进程缓冲区复制到内核缓冲区。
内核缓冲区与进程缓冲区在数量上也不同，在Linux系统中，操作系统只有一个内核缓冲区。而每个用户程序则有自己独立的缓冲区，叫做用户缓冲区或者进程缓冲区。Linux系统中的用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在用户缓冲区和内核缓冲区之间直接进行数据交换。
1.2详解典型的系统调用流程
用户程序所使用的系统调用read&write，并不是使数据在内核缓冲区和物理设备之间的交换。read调用把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，write调用把数据从应用程序的进程缓冲区复制到内核缓冲区
以read系统调用为例，完整输入流程的两个阶段
应用程序等待数据准备好
从内核缓冲区复制到进程缓冲区
1.2.1如果是read一个socket，那么以上两个阶段的具体处理流程如下：
第一个阶段：应用程序等待数据通过网络中到达网卡，当所等待的分组到达时，数据被操作系统复制到内核缓冲区中。这个操作由操作系统来完成，用户程序无感知。
第二个阶段：内核将数据从内核缓冲区复制到用户程序的进程缓冲区。
1.2.2Java客户端和服务器端之间完成一次socket请求和响应的完整流程：
客户端发送请求：Java客户端发起write系统调用，将数据复制到内核缓冲区，Linux将内核缓冲区中的请求数据通过客户端的网卡发送出去。在服务端，这份请求数据会从接受网卡中读取到服务器端机器的内核缓冲区。
服务端获取请求：Java服务端发起read系统调用，从Linux内核缓冲区读取数据，再送入Java进程缓冲区。
服务端业务处理：Java服务端在自己的用户空间中，完成客户端的请求所对应的业务处理。
服务器端返回数据：Java服务器端发起write系统调用，将数据复制到内核缓冲区，Linux将内核缓冲区中的返回数据发送出去。
发送给客户端：服务端Linux系统将内核缓冲区中的数据写入网卡，网卡通过底层的通信协议，会将数据发送给客户端。
1.3四种主要的IO模型
1.3.1同步阻塞模型
首先解释一下阻塞与非阻塞，阻塞IO，指的是需要内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户程序的操作指令，阻塞一词指的是用户程序的执行状态是阻塞的。可以说传统的IO操作都是阻塞的，并且在Java中，默认创建的socket都是阻塞的。
其次，解释一下同步与异步，简单来说，可以把同步和异步看成是两种发起IO请求的方式。同步IO指的是用户程序是作为主动发起IO请求的一方，系统内核是被动接受方。异步IO则反过来，系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间则是被动接收方。
所谓同步阻塞IO，是指用户程序作为主动发起IO请求的一方，需要等到内核IO操作彻底完成后，才可以返回执行用户空间的操作指令。IO操作过程中，发起IO请求的用户进程处于阻塞状态。
同步阻塞模型的处理流程
用户程序主动发起IO请求，进入阻塞状态；
操作系统收到请求，开始准备数据到内核缓冲区，这个时候内核就要等待；
内核一直等待数据到达后，内数据从内核缓冲区中复制到用户空间的进程缓冲区，然后内核返回结果；
直到内核返回后，用户程序才会解除阻塞状态，重新运行起来。
阻塞IO的特点：在内核进行IO执行的两个阶段，发起IO请求的用户进程被阻塞了(内核等待数据到达和复制数据到进程缓冲区)。
阻塞IO的优点：应用的程序开发非常简单：在阻塞等待数据期间，用户线程挂起，几乎不会浪费CPU资源。
阻塞IO的缺点：一般情况下，会为每个连接配备一个独立的线程，一个线程维护一个连接的IO操作。在并发量小的情况下，这样做没有什么问题。但是，在高并发场景下，需要大量的线程维护大量的网络连接，内存、线程的切换消耗会非常巨大。在高并发场景下，阻塞IO性能是很低的，基本上是不可用的。
1.3.2同步非阻塞模型
所谓同步非阻塞模型，指的是用户程序主动发起，不需要等待内核的IO操作彻底完成，就能立即返回到用户空间的IO操作，IO操作过程中，发起IO请求的用户进程处于非阻塞状态。
同步非阻塞IO的处理流程：
(1)在内核缓冲区中没有数据的时候，系统调用会立即返回，返回一个调用失败的信息。
(2)在内核缓冲区中有数据的时候，在数据的复制过程是阻塞的，直到数据从内核缓冲区完整的复制到进程缓冲区中。复制完成后，系统调用返回成功，用户进程解除阻塞状态。
发起一个非阻塞socket的read系统调用，流程如下：
(1)在内核缓冲区数据没有准备好的阶段，用户发起IO请求时，立即返回，所以，为了读取到最终的数据，用户进程要不断的发起系统调用。
(2)当内核缓冲区中的数据到达后，用户进程进入阻塞状态，内核将数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区中。
(3)复制完成后，系统调用返回成功，用户空间解除阻塞状态，重新运行起来。
同步非阻塞IO的特点：应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，就一直轮询，直到数据到达。
同步非阻塞IO的优点：每次发起的IO系统调用，在内核等待数据过程中可以立即返回。用户线程不会阻塞，实时性较好。
同步非阻塞IO的缺点：用户需要不断的发起IO系统调用来轮询数据是否准备好，这将占用大量的CPU时间，效率低下。
1.3.3IO多路复用模型
为了提高性能，操作系统引入了一类新的系统调用，专门用于查询IO文件描述符的就绪状态。在Linux系统中，新的系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个用户进程可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符就绪，内核能够将该文件描述符的就绪状态返回给用户进程，用户空间可以根据文件描述符的就绪状态，进行响应的IO系统调用。
发起一个多路复用IO的read系统调用，流程如下：
(1)选择器注册。在这种模式中，首先，将需要read操作的目标文件描述符，提前注册到Linux的select/epoll选择器中，在Java中所对应的选择器是Selector类。然后，才可以开启整个IO多路复用模型的轮询流程。
(2)就绪状态的轮询。通过选择器的查询方法，查询所有提前注册过的目标文件列表。当任何一个注册过的socket中的数据准备好或者就绪了，就是内核缓冲区有数据了，内核就将该socket加入到就绪的列表中，并且返回就绪事件。
(3)用户线程获得了就绪状态的列表后，根据其中的socket连接，发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区。
IO多路复用模型的特点：IO多路复用模型的IO涉及两种系统调用：一种是IO操作的系统调用，另一种是select/epoll就绪状态系统调用。IO多路复用建立在操作系统的基础设施之上，即操作系统的内核必须能够提供多路复用的系统调用select/epoll。
IO多路复用模型的优点：一个选择器查询线程，可以同时处理成百上千的socket连接，所以，用户程序不必建立大量的线程，也不必维护这些线程，从而大大减少了系统的开销。这是一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，使用多路复用IO模型的最大优势。
IO多路复用模型的缺点：本质上，select/epoll系统是阻塞式的，属于同步IO。都需要在读写事件就绪后，由系统调用本身负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，如何彻底地解除线程的阻塞，就必须使用异步IO模型。
收藏
收藏
0 条评论
下一页
