服务端高性能网络IO编程模型简析

服务端高性能网络IO编程模型简析

一、客户端与服务器端

多数网络应用可以分为客户端(client)和服务器端(server)模型，然后中间通过各种定义的协议来进行两端的通信。

比如常用的 Nginx 软件。可以把它当做一个 web 服务器。我们可以在 web 浏览器(客户端)与 Nginx 进行通信。

我们常说 Nginx 的并发服务很高，指的就是通过客户端访问服务端的用户很多，并发用户多，Nginx 服务器还能很好的进行服务。

客户端与服务端的通信涉及各种通信协议。大家最熟悉的通信协议就是 TCP/IP。根据 TCP/IP 通信服务模型如下：

上面图中的应用层协议有很多，比如最常见的就是 http 协议。

二、TCP/IP和Socket

TCP/IP 协议是一个很复杂的协议，前面文章有讲这个tcp协议。这里主要不是讲tcp协议内容，而是讲 TCP 套接字接口编程-socket。

应用层：就是接收网络数据，处理网络数据，然后返回数据给用户。比如 Nginx web 服务器就是在这一层。

数据怎么组织客户端才能识别出来呢？这就要用到协议了，这一层最有名的协议就是 HTTP 应用协议。

TCP/IP 协议是一个很复杂的协议，那在编程中怎么简化它来进行网络编程呢？

套接字 socket 网络编程 API 是起源于 BSD 操作系统。

BSD 操作系统为应用程序提供的套接字(socket) API:

建立一个TCP连接的3次握手：

1.服务器准备好接收外来连接，通过调用 socket，bind，listen 函数来完成。

2.客户端可以通过connect进行主动打开连接。客户端发起一个 tcp 的 SYN（SYN J)。

3.服务器确认客户的的 SYN，同时服务器也发送一个 SYN(SYN K) 和对客户 SYN 的 确认 ACK（ACK J + 1)。

4.客户端发送一个 ACK(ACK K + 1) 确认服务端的 SYN。

三、服务端数据处理流程

网络数据处理流程简图：

1. 获取用户请求的数据：比如用户进程是Nginx服务器，那么它就要获取用户请求的数据
2. 处理用户数据：服务器获取用户请求数据，然后进行业务逻辑处理，构建响应用户的数据
3. 最后返回数据给用户

上面是从数据的流动方向来看待数据处理过程。

如果从用户空间的数据到内核空间的数据，IO模型来看，数据传递方式有 5 种IO模型，见这篇文章：5种IO模型。

上面图片显示的是一个用户访问 web 应用服务器的数据流方向。如果是多个用户访问，成百上千的用户访问，服务端怎么处理这么多用户呢？

web 服务器会不会崩溃？

下面就来看看多用户的服务器端处理模型。

四、高性能IO服务模型

上面说到成百上千的用户访问 web 服务器，从服务端编程角度来说，就涉及到了服务端并发编程，服务器端怎么处理这么多用户访问呢？

一种方法就是为每个客户端用户创建一个独立的处理流程，这就是并发程序。常见的并发编程有三种，多进程，多线程，最后一个 I/O 多路复用。

• 多线程/多进程

客户端的每一个用户访问服务端产生的连接，就起一个线程/进程来进行服务处理（如上图）。

如果用户数过多，并发数就会很大，那么所创建的线程/进程也会很多，服务端系统资源可能会耗光。

还有服务端的read，accept等函数基本用法都是阻塞的，从5种IO模型也可以看出来。

• I/O多路复用

从上面第二小节可以得知，一般的服务端网络编程步骤，socket，bind，listen，accept，read，write，close，这几个

步骤。首先，有这么多步骤，可不可以分步骤来处理，当然是可以的。再次，换一种理解方法，把这些步骤看成是一次处理事件(Event)，

accept 接收socket描述符事件，read、write 分别是读事件、写事件。如果我们把 accept 接收的socket描述符存放在一个列表中，

只要知道在列表中的socket描述符准备好了读、写事件，那么我们就可以去进行读和写操作了。这就是IO多路复用最基本的由来。

操作系统准备了3个IO多路复用的函数：select，poll，epoll。最常用的是 epoll。

epoll 是对 select 和poll 的改进：

1. 不需要每次向内核传入文件socket文件描述符，内核自己保存了一份
2. 不像poll通过轮询的方式来找出就绪的文件描述符，而是通过异步IO事件来通知用户
3. 内核会通过 IO 事件告诉用户就绪的文件描述符

有人把这种模式叫做 Reactor 模式，也叫事件分发（event dispatch）模式。

五、Doug Lea 介绍的可伸缩高性能IO模型

一般网络服务处理流程

java.util.concurrent 包的作者 Doug Lea 有一篇分析与构建可伸缩的高性能 IO 服务的一篇经典文章：《Scalable IO in Java》。虽然是 java 描述，但是编程思想是相通的。

这篇文章中总结了一般的网络服务或分布式服务等应用程序中，大都具备的一些相同处理流程：

1. Read Request，读取请求数据

2. Decode request，解码请求数据

3. Process service，对数据进行加工处理

4. Encode reply，对返回数据进行编码

5. Send reply，发送返回数据

在实际应用中，每一步的运行效率都是不同的。

传统服务器IO模型

一般的网络服务中会为每一个连接开启一个新的线程、进程，如下图：

(来自《Scalable IO in Java》作者：Doug Lea)

上面这种模式有个缺点就是如果用户成百上千，那么系统资源会逐渐耗尽。那怎么才能构建高性能可伸缩的IO服务。作者列了几点希望达成的目标：

1. 在海量负载连接情况下能够优雅降级

2. 能够随着硬件资源的增加，应用性能能随着持续改进

3. 具备低延时、高吞吐量、可调节的服务治理

基于事件驱动模式的设计

基于事件驱动的架构设计通常比其他架构设计模型更加的有效率，可以节省一定的资源，事件驱动模式不需要为每一个客户端建立一个线程，这意味着更少的资源开销、上下文切换等。但事件任务调度可能会慢一些，通常实现复杂度也会增加。相关功能可以分解成非阻塞操作，但不可能把所有阻塞消除。

由于是时间驱动，所以需要跟踪事件任务相关的状态，知道在什么时候会发生事件，就可以进行相应的处理。

Reactor模型(分发模式)

分发模式几个机制：

1. 将一个完整的处理过程分解为一个一个小的任务或事件来处理
2. 每个任务执行相关的动作而且不产生阻塞
3. 在任务执行状态触发时才会执行，比如只有有数据时才会触发读操作

在服务器网络开发中，多数处理的是 IO 事件，当某个 IO 事件准备就绪时，然后触发某时间的操作。

​ (来自《Scalable IO in Java》作者：Doug Lea)

Reactor 也可以称为反应器模式：

1.Reactor模式中会通过分配适当的handler(处理程序)来响应IO事件

2.每个handler执行非阻塞的操作

3.通过将handler绑定到事件进行管理

1. 单线程模式

下图展示的就是单线程下基本的Reactor设计模式

​ 单 Reactor 单线程模式 (来自《Scalable IO in Java》作者：Doug Lea)

2. 多线程模式

在多处理器常见下，为了实现服务器更高性能可以采用多线程模式：

1. 增加 worker 线程，专门处理非 IO 操作
2. 拆分并增加反应器 Reactor 线程，一方面在压力较大时可以饱和处理 IO 操作，提高处理能力。另外多个 Reactor 线程也可以做负载均衡使用。线程的数量可以根据程序本身是 CPU 密集型还是 IO 密集型操作来进行合理的分配

​ 单 Reactor 多线程模式 (来自《Scalable IO in Java》作者：Doug Lea)

3. 主从 Reactor 多线程模式

Proactor 模式

当然还有一个 Proactor 模式，它是异步 IO 相关。

前面文章 5种IO模型，异步 IO 模型有关。

Proactor 在时间发生时基于异步 IO 完成读写操作（由内核完成），等待 IO 完成后才返回到应用程序进行逻辑的处理。而 Reactor 通知读写事件是在应用程序中完成的。

参考

• 《Unix网络编程第1卷》 作者: [Richard Stevens, Bill Fenner，Andrew M. Rudoff
• 《Scalable IO in Java》 Doug Lea 关于分析与构建可伸缩的高性能IO服务一篇经典文章