婴儿衣服做的网站好,跨境电商公司取名,深圳建网页,单机游戏制作软件一、基础回顾
1.1 多路复用要解决什么问题
并发多客户端连接场景#xff0c;在多路复用之前最简单和典型的方案就是同步阻塞网络IO模型。 这种模式的特点就是用一个进程来处理一个网络连接(一个用户请求),比如一段典型的示例代码如下。
直接调用 recv 函数从一个 socket 上…一、基础回顾
1.1 多路复用要解决什么问题
并发多客户端连接场景在多路复用之前最简单和典型的方案就是同步阻塞网络IO模型。 这种模式的特点就是用一个进程来处理一个网络连接(一个用户请求),比如一段典型的示例代码如下。
直接调用 recv 函数从一个 socket 上读取数据。
int main(){...// //从用户角度来看非常简单一个recv一用要接收的数据就到我们手里了。recv(sock, ...)
}优点就是这种方式非常容易让人理解写起代码来非常的自然符合人的直线型思维。 缺点就是性能差每个用户请求到来都得占用一个进程来处理来一个请求就要分配一个进程跟进处理
问题分析
进程在 Linux 上是一个开销不小的家伙先不说创建光是上下文切换一次就得几个微秒。所以为了高效地对海量用户提供服务必须要让一个进程能同时处理很多个 tcp 连接才行。现在假设一个进程保持了 10000 条连接那么如何发现哪条连接上有数据可读了、哪条连接可写了
也可以采用循环遍历的方式来发现 IO 事件但是这种方式也存在耗费资源上下文切换系统调用的阻塞耗时等问题。
结论 所以就有了有一种更高效的机制在很多连接中的某条上有 IO 事件发生的时候直接快速把它找出来。
就是Linux 操作系统中我们所熟知的 IO 多路复用机制。这里的复用指的就是对进程的复用
1.2 单线程如何处理并发连接为什么快
Redis利用epoll来实现IO多路复用将连接信息和事件放到队列中一次放到文件事件分派器事件分派器将事件分发给事件处理器。 Redis 是跑在单线程中的所有的操作都是按照顺序线性执行的但是由于读写操作等待用户输入或输出都是阻塞的所以 I/O 操作在一般情况下往往不能直接返回这会导致某一文件的 I/O 阻塞导致整个进程无法对其它客户提供服务而 I/O 多路复用就是为了解决这个问题而出现
所谓 I/O 多路复用机制就是说通过一种机制可以监视多个描述符一旦某个描述符就绪一般是读就绪或写就绪能够通知程序进行相应的读写操作。这种机制的使用需要 select 、 poll 、 epoll 来配合。多个连接共用一个阻塞对象应用程序只需要在一个阻塞对象上等待无需阻塞等待所有连接。当某条连接有新的数据可以处理时操作系统通知应用程序线程从阻塞状态返回开始进行业务处理。
Redis 服务采用 Reactor 的方式来实现文件事件处理器每一个网络连接其实都对应一个文件描述符 Redis基于Reactor模式开发了网络事件处理器这个处理器被称为文件事件处理器。
它的组成结构为4部分多个套接字、IO多路复用程序、文件事件分派器、事件处理器。因为文件事件分派器队列的消费是单线程的所以Redis才叫单线程模型。
1.3 同步异步阻塞非阻塞
名词说明
同步是指调用者要等待调用出结果后才能进行后续的执行我现在就要必须等到结果为止异步是指被调用方先给调用方返回应答让调用方回去然后计算调用结果计算完最终结果后再返回给调用方。一般通过回调的方式通知阻塞调用方一直在等待而且别的什么事也不干当前进程/线程会挂起非阻塞调用发出后先忙别的事情了不会阻塞当前进程/线程会立即返回。
4种组合方式的理解
二、IO 多路复用原理
2.1 阻塞式IOBI/O
BIO 简称阻塞式 I/O应用程序从调用 recvfrom 开始到它返回准备好的数据报这段时间是阻塞的等 recvfrom返回成功后应用程序才能开始处理数据。
1) 单线程 阻塞式 IO 调用过程 当用户进程调用了recvfrom这个系统调用kernel就开始了IO的第一个阶段准备数据对于网络IO来说很多时候数据在一开始还没有到达。比如还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来。这个过程需要等待也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边整个进程会被阻塞当然是进程自己选择的阻塞。当kernel一直等到数据准备好了它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存然后kernel返回结果用户进程才解除block的状态重新运行起来。 所以BIO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。
2) 单线程 阻塞式 I/O 模型存在的问题
如果客户端与服务端建立了连接但是 这个连接的客户端迟迟不发数据线程就会一直堵塞在read()方法上这样其他客户端也不能进行连接也就是一次只能处理一个客户端对客户很不友好。
针对上面存在的问题可以使用多线程来处理单线程的弊端。
2.2 多线程阻塞式IO模型
只要连接了一个socket操作系统分配一个线程来处理这样read()方法堵塞在每个具体线程上而不堵塞主线程这样就能操作多个socket了哪个线程中的socket有数据就读哪个socket各取所需灵活统一。
1多线程阻塞式 I/O 调用过程
程序服务端只负责监听是否有客户端连接使用 accept() 阻塞
客户端1连接服务端就开辟一个线程thread1来执行 read() 方法程序服务端继续监听客户端2连接服务端也开辟一个线程thread2来执行 read() 方法程序服务端继续监听客户端3连接服务端也开辟一个线程thread3来执行 read() 方法程序服务端继续监听
任何一个线程上的socket有数据发送过来read()就能立马读到cpu就能进行处理。
2多线程 阻塞式 I/O 模型存在的问题
每来一个客户端就要开辟一个线程如果来1万个客户端那就要开辟1万个线程。在操作系统中用户态不能直接开辟线程需要调用内核来创建的一个线程这其中还涉及到用户状态的切换上下文的切换十分耗资源。
针对上面多线程存在的问题处理方案有两个
方法一使用线程池
这个在客户端连接少的情况下可以使用但是用户量大的情况下你不知道线程池要多大太大了内存可能不够也不可行。 注意tomcat7 之前 就是用 BIO 的多线程来解决多连接的问题的。
方法二使用 NIO非阻塞 IO方式
因为read()方法堵塞了所有要开辟多个线程如果什么方法能使read()方法不堵塞这样就不用开辟多个线程了这就用到了另一个IO模型NIO非阻塞式IO。 小总结 思考每个线程分配一个连接必然会产生多个连接既然是多个连接必然要放入容器统一管理。
2.3 非阻塞式IONIO
在NIO模式中一切都是非阻塞的
accept()方法是非阻塞的如果没有客户端连接就返回无连接标识read()方法是非阻塞的如果read()方法读取不到数据就返回空闲中标识如果读取到数据时只阻塞read()方法读数据的时间
在NIO模式中只有一个线程当一个客户端与服务端进行连接这个socket就会加入到一个数组中隔一段时间遍历一次看这个socket的read()方法能否读到数据这样一个线程就能处理多个客户端的连接和读取了
1非阻塞式 IONIO的调用过程
当用户进程发出read操作时如果kernel中的数据还没有准备好那么它并不会block用户进程而是立刻返回一个error。 从用户进程角度讲 它发起一个read操作后并不需要等待而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时它就知道数据还没有准备好于是它可以再次发送read操作。 一旦kernel中的数据准备好了并且又再次收到了用户进程的system call那么它马上就将数据拷贝到了用户内存然后返回。所以NIO特点是用户进程需要不断的主动询问内核数据准备好了吗一句话用轮询替代阻塞
2) 非阻塞式 IO 存在的问题
NIO成功的解决了BIO需要开启多线程的问题NIO中一个线程就能解决多个socket但是还存在2个问题。
问题一这个模型在客户端少的时候十分好用但是客户端如果很多比如有1万个客户端进行连接那么每次循环就要遍历1万个socket如果一万个socket中只有10个socket有数据也会遍历一万个socket就会做很多无用功每次遍历遇到 read 返回 -1 时仍然是一次浪费资源的系统调用。 问题二而且这个遍历过程是在用户态进行的用户态判断socket是否有数据还是调用内核的read()方法实现的这就涉及到用户态和内核态的切换每遍历一个就要切换一次开销很大因为这些问题的存在。
3) 优缺点
优点不会阻塞在内核等待数据每次发起的 I/O 请求可以立即返回不用阻塞等待实时性较好。 缺点轮询将会不断地询问内核这将占用大量的 CPU 时间系统资源利用率较低所以一般 Web 服务器不使用这种 I/O 模型。 小总结 让Linux内核搞定上述需求我们将一批文件描述符通过一次系统调用传给内核由内核层去遍历才能真正解决这个问题。IO多路复用应运而生也即将上述工作直接放进Linux内核不再两态转换而是直接从内核获得结果因为内核是非阻塞的。
2.4 IO Multiplexing 多路复用机制
1 基础知识巩固
IO 多路复用的模型 :I/O多路复用( I/O multiplexing)多个Socket复用一根网线这个功能是在内核驱动层实现的。
I/O multiplexing 这里面的 multiplexing 指的其实是在单个线程通过记录跟踪每一个Sock(I/O流)的状态来同时管理多个I/O流. 目的是尽量多的提高服务器的吞吐能力。
大家都用过nginxnginx使用epoll接收请求ngnix会有很多链接进来 epoll会把他们都监视起来然后像拨开关一样谁有数据就拨向谁然后调用相应的代码处理。redis类似同理。
文件描述符 FileDescriptor: 文件描述符File descriptor是计算机科学中的一个术语是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上它是一个索引值指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。
2IO 多路复用工作过程
IO multiplexing就是我们说的selectpollepoll有些技术书籍也称这种IO方式为event driven IO事件驱动IO。
就是通过一种机制一个进程可以监视多个描述符一旦某个描述符就绪一般是读就绪或者写就绪能够通知程序进行相应的读写操作。可以基于一个阻塞对象并同时在多个描述符上等待就绪而不是使用多个线程(每个文件描述符一个线程每次new一个线程)这样可以大大节省系统资源。
所以I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符而这些文件描述符套接字描述符其中的任意一个进入读就绪状态selectpollepoll等函数就可以返回。 简言之就是将用户socket对应的fd注册进epoll然后epoll帮你监听哪些socket上有消息到达这样就避免了大量的无用操作。此时的socket应该采用非阻塞模式。这样整个过程只在调用select、poll、epoll这些调用的时候才会阻塞收发客户消息是不会阻塞的整个进程或者线程就被充分利用起来这就是事件驱动所谓的reactor反应模式。
三、selectpollepoll 多路复用的实现
3.1 select 方法实现
select 是第一个实现1983年实现于BSD
1) 用户态基于Java看实现思想 2深入C语言看代码实现 select 函数监视的文件描述符分3类分别是readfds、writefds和exceptfds将用户传入的数组拷贝到内核空间
调用后select函数会阻塞直到有描述符就绪有数据 可读、可写、或者有except或超时timeout指定等待时间如果立即返回设为null即可函数返回。
当select函数返回后可以通过遍历fdset来找到就绪的描述符。 方法核心实现分析 3 优缺点 优点 select 其实就是把NIO中用户态要遍历的fd数组(我们的每一个socket链接安装进ArrayList里面的那个)拷贝到了内核态让内核态来遍历因为用户态判断socket是否有数据还是要调用内核态的所有拷贝到内核态后这样遍历判断的时候就不用一直用户态和内核态频繁切换了。
从代码中可以看出select系统调用后返回了一个置位后的rset这样用户态只需进行很简单的二进制比较就能很快知道哪些socket需要read数据有效提高了效率。 缺点
bitmap最大1024位一个进程最多只能处理1024个客户端rset不可重用每次socket有数据就相应的位会被置位文件描述符数组拷贝到了内核态(只不过无系统调用切换上下文的开销。内核层可优化为异步事件通知)仍然有开销。select 调用需要传入 fd 数组需要拷贝一份到内核高并发场景下这样的拷贝消耗的资源是惊人的。可优化为不复制select并没有通知用户态哪一个socket有数据仍然需要O(n)的遍历。select 仅仅返回可读文件描述符的个数具体哪个可读还是要用户自己遍历。可优化为只返回给用户就绪的文件描述符无需用户做无效的遍历
4 小总结
select方式既做到了一个线程处理多个客户端连接文件描述符又减少了系统调用的开销多个文件描述符只有一次 select 的系统调用 N次就绪状态的文件描述符的 read 系统调用。
3.2 poll 方法实现
1997年实现了poll方法。
1C语言的实现 2相比 select 的优点
1、poll使用pollfd数组来代替select中的bitmap数组没有1024的限制可以一次管理更多的client。它和 select 的主要区别就是去掉了 select 只能监听 1024 个文件描述符的限制。
2、当pollfds数组中有事件发生相应的revents置位为1遍历的时候又置位回零实现了pollfd数组的重用
3存在的问题缺陷分析
poll 解决了select缺点中的前两条其本质原理还是select的方法还存在select中原来的问题。
1、pollfds数组拷贝到了内核态仍然有开销 2、poll并没有通知用户态哪一个socket有数据仍然需要O(n)的遍历
3.3 epoll 方法实现
2002年被实现核心思想是拆分成了三步调用。
1三步调用
第一步epoll create 创建一个epoll句柄。
int epoll_create(int size)第二步epoll_ctl 向内核添加、修改或删除要监控的文件描述符。
int epoll_ctl(int epfd,int op,int fd,struct,epoll_event *event);第三部epoll_wait 类似发起了一次select() 调用。
int epoll_wait(int epfd,struct,epoll_event *event,int max_evnets,int timeout);2) C语言实现 3小结论
多路复用快的原因在于操作系统提供了这样的系统调用使得原来的 while 循环里多次系统调用变成了一次系统调用 内核层遍历这些文件描述符。 epoll是现在最先进的IO多路复用器Redis、Nginxlinux中的Java NIO都使用的是epoll。
这里“多路”指的是多个网络连接“复用”指的是复用同一个线程。
一个socket的生命周期中只有一次从用户态拷贝到内核态的过程开销小使用event事件通知机制每次socket中有数据会主动通知内核并加入到就绪链表中不需要遍历所有的socket
在多路复用IO模型中会有一个内核线程不断地去轮询多个 socket 的状态只有当真正读写事件发送时才真正调用实际的IO读写操作。因为在多路复用IO模型中只需要使用一个线程就可以管理多个socket系统不需要建立新的进程或者线程也不必维护这些线程和进程并且只有真正有读写事件进行时才会使用IO资源所以它大大减少来资源占用。
多路I/O复用模型是利用 select、poll、epoll 可以同时监察多个流的 I/O 事件的能力在空闲的时候会把当前线程阻塞掉当有一个或多个流有 I/O 事件时就从阻塞态中唤醒于是程序就会轮询一遍所有的流epoll 是只轮询那些真正发出了事件的流并且只依次顺序的处理就绪的流这种做法就避免了大量的无用操作。 采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求尽量减少网络 IO 的时间消耗且 Redis 在内存中操作数据的速度非常快也就是说内存内的操作不会成为影响Redis性能的瓶颈。
3.4 三种实现对比 四、附件材料
基于Java 代码模拟BIO单线程和多线程版的Socket连接以及NIO连接 【Github】
