如何從底層聊下IO多路復用模型

本篇內容主要講解“如何從底層聊下IO多路復用模型”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“如何從底層聊下IO多路復用模型”吧!

前言

當我們去面試的時候，問到了 redis，nginx，netty他們的底層模型分別是什么?

• redis -> epoll

• nginx-> epoll

• netty-> epoll?

需要從操作系統的層面上來談

BIO

當我們開機的時候，首先被加載進內存的是我們的Kernel(內核)，內核是用于管理我們的硬件的，同時內核還會創建一個GDT表，然后劃分兩個空間(用戶空間和內核空間)，同時空間中的內容是開啟了保護模式，無法被修改的。

同時還有一個CPU的概念，CPU有自己的指令集，并且指令集是分了幾個級別的，分別是從0~3的，Kernel屬于0級別。APP只能用級別為3的指令集。

從上面我們可以知道，我們的應用程序是無法直接訪問我們的Kernel的，也就是程序不能直接訪問我們的磁盤，聲卡，網卡等設備，只有內核才可以訪問，那我們怎么辦?

只有APP通過調用Kernel提供的 syscall(系統軟中斷和硬中斷)來獲取硬件中的內容。

軟中斷

硬中斷：硬中斷指的是我們的鍵盤，按下一個按鍵的時候，就會觸發我們的硬中斷，也就是內核會有一個中斷號，然后得到一個callback的回調函數

說到這里，其實就是為了引出一個 概念，就是 IO 和 內核之間的成本問題

/**  * 服務器讀取文件  * @author: 陌溪  * @create: 2020-07-01-20:40  */ public class TestSocket {     public static void main(String[] args) throws IOException {         ServerSocket server = new ServerSocket(8090);         System.out.println("step1: new ServerSocket(8090)");         while(true) {             Socket client = server.accept();             System.out.println("step2: client " + client.getPort());             new Thread(() -> {                 try {                     InputStream in = client.getInputStream();                     BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));                     while(true) {                         System.out.println(reader.readLine());                     }                 } catch (IOException e) {                     e.printStackTrace();                 }             }, "t1").start();         }     } }

抓取程序對內核有沒有系統調用，然后輸出

strace -ff -o ./ooxx java TestSocket

然后我們執行上面的程序，得到我們的結果

然后我們在通過jps命令，查看當前TestSocket的進程號

jps  2912 Jps  2878 TestSocket

然后我們在進入下面的這個目錄下，啟動2878是線程的id號，這個目錄就是存放該線程的一些信息

cd /proc/2878

我們可以看到2878進程下的，通過查看task目錄，可以看到所有線程數

還有一個目錄，就是 fd目錄，在該目錄下，就是我們的一些IO流

上面的0,1,2，分別對應著 輸入流，輸出流和錯誤流。在java里面我們流就是對象，而在linux系統中，流就是一個個的文件。后面的4,5  就對應著我們的socket通信，分別對應著ipv4 和 ipv6

通過netstat命令查看

然后我們使用nc連接 8090端口

nc localhost 8090

我們執行完后，通過netstat命令查看 ，發現多了個連接的狀態

然后在看文件里面，也多了一個socket

我們查看系統調用，發現通過系統調用接收了一個58181端口號的請求，在前面我們還能夠看到5，這個5其實就是對應的上圖里面的socket，走的是ipv4。

從這里其實我們就可以知道了，我們原來調用中寫的代碼

Socket client = server.accept();

對應到系統層面，也是調用了系統的方法。

同時關于系統調用，有以下幾種方式

• bind

• connect

• listen

• select

• socket

首先我們需要知道，java其實是一種解釋型語言，通過JVM  虛擬機將我們的.java文件轉換為字節碼文件，然后調用我們os中的syscall方法，我們必須明確的是，無論怎么調用，一定最后要通過調用內核的方法，然后調用我們的硬件。

上述的模型，就是BIO的通信，是這里面有很多阻塞，我們只能夠通過多個線程來避免主線程的阻塞。但是從上面我們可以知道，如果有大量地連接過來，那服務器需要創建很多個線程與之對應，并且線程的創建也是需要消耗資源的，因為線程使用的棧是獨占的(棧大小默認1MB)，同時CPU的資源調度也是需要浪費。

最根本的原因就是因為 BIO是阻塞的，才會造成上面的問題。

NIO

因為BIO存在線程阻塞的問題，后面就提出了NIO的概念，在NIO中，有C10K的問題，C10K =  10000個客戶端。但是在和你連接的服務器中，其實沒有多少給你發送數據了，所以我們需要做的就是，每當有人發送消息的時候，我才和它進行連接。

也就是每次都需要遍歷10000個客戶端，是非常耗費時間呢，因為很多客戶端可能就沒有請求的發送。

多路復用

這個時候，我們就不需要遍歷10K個客戶端了，而是把我們的fds文件發送給內核，然后內核去判斷最后需要連接誒的客戶端，這樣就不用遍歷全部的了。所以這里的Select就是多路復用器，通過多路復用返回的是狀態，然后我們需要程序去判斷這些狀態。

說白了，就是通過一個多路復用器，來判斷哪些路可以走通，然后不需要輪詢全部的。

這個模型，是通過select，將fds文件交給內核來做了，也就是內核需要完成10K個文件的主動遍歷，這個10K個調用，對比之前的10K次系統調用來說，是更省時間的，存在以下的問題

• 每次傳遞很多數據(重復勞動)

• 然后內核需要主動去遍歷( 復雜度O(N) )

解決方法，通過在內核中，開辟一個空間，當每次來一個客戶端，就把這個文件丟到內核中，這樣不需要每次把10K個文件傳遞到內核了。然后在使用一個基于事件驅動的模型，如下圖所示就是一個異步事件驅動的流程

同樣使用epoll，Redis是輪詢，Nginx是阻塞?

我們通過strace命令，查看nginx 和 redis的運行流程，能夠發現 同樣是使用了  epoll，但是nginx是阻塞的，而redis它是輪詢(非阻塞)的。

首先那是因為Redis只有一個線程，而這個線程要做很多事情，例如  接收客戶端，LRU，LFU(淘汰過濾)、RDB/AOF(fork線程進行數據備份)。

也就是說對于Redis中的C10K問題，redis也是通過epoll的事件驅動來進行處理的，也就是通過epoll將每個需要讀取的客戶端的操作放在一個原子串行化的隊列中，并且一個客戶端包含以下的幾個操作：read、計算、write等

在redis 6.X版本中，還有一個IO  threads的概念，首先它為了留住串行化原子性的特點，也就是計算的時候還是串行化的處理，但是在讀取數據的時候，使用的是多線程進行并發IO讀取。為什么要多線程讀呢?首先因為讀操作需要發生CPU的系統調用，如果通過多個線程讀取，能夠充分發揮CPU的多核作用

而nginx只需要做一件事，就是等著客戶端過來，不需要做其他的事情，所以也就設置成阻塞。

零拷貝

用kafka來講，首先這里面有兩個角色，一個是消息生產者，一個是消息消費者

也就是說，我們通過開辟了一個內存空間，能夠直接抵達磁盤，能夠減少kernel的系統調用。在讀取的時候，如果是原來的做法，就需要首先請求kernel，然后kernel發起一個read請求，讀取磁盤的文件到內核中，然后kafka在讀取kernel中的信息。

那么什么是零拷貝呢?

零拷貝就是不發生拷貝的情況，零拷貝的前提就是數據不需要加工，在JVM中有一個RandomAccessFile，它能夠直接開辟一個堆內空間，或者堆外空間。

到此，相信大家對“如何從底層聊下IO多路復用模型”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續學習！