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1. 落寞的小黑

上周北京很冷，周五晚上大白下班奔地鐵站，收到了好基友小黑的微信:

于是大白掉頭掃了個(gè)單車奔五道口了，小黑靠譜地選了個(gè)不錯(cuò)的位置。

 

小黑: 你今天下班挺早呀!

大白: 就咱這覺(jué)悟，心里有工作，哪里都是辦公桌，不要拘泥于形式嘛。

明顯能感覺(jué)得到小黑哥最近好像比較累，之前眼里bulingbuling閃的光是看不到了。

大白: 下午去面的哪家?啥崗位?咋樣?

小黑: 是一家做自動(dòng)駕駛的創(chuàng)業(yè)公司，網(wǎng)站是看團(tuán)隊(duì)介紹還不錯(cuò)，就去看看了，這次沒(méi)咋準(zhǔn)備，很多問(wèn)題其實(shí)都熟悉，但是回答的不到位。

大白: 哦，明白了，那就是當(dāng)時(shí)理解的不到位，稀里糊涂過(guò)去了，現(xiàn)在忽然問(wèn)起來(lái)，想不起重點(diǎn)。

小黑: 差不多吧，問(wèn)我都做過(guò)哪些高性能的網(wǎng)絡(luò)框架模型，也就是IO和事件驅(qū)動(dòng)那一套。

話說(shuō)完，小黑喝了一大口啤酒，大白看出了小黑心里有一些落寞。畢竟在帝都這個(gè)地方競(jìng)爭(zhēng)和工作壓力，以及生活瑣事都一直圍繞著我們，但是金錢和好運(yùn)都巧妙地避開了自己...

 

想到這里，大白也深深喝了一大口，我命由我不由天，開整!

大白：黑哥，你說(shuō)這個(gè)問(wèn)題確實(shí)不好回答，全是術(shù)語(yǔ)和略帶歧義的東西，我覺(jué)得我們抓住本質(zhì)去闡述就好。

小黑：來(lái)，請(qǐng)開始你的表演，我學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。

大白決定和小黑好好聊聊，Linux開發(fā)中常用的高性能網(wǎng)絡(luò)框架中的一些事兒，火鍋的映襯下讓夜色和天氣都不那么寒冷了。

通過(guò)本文你將會(huì)了解到以下內(nèi)容：

 

• IO事件和IO復(fù)用
• 線程模型和事件驅(qū)動(dòng)模型的架構(gòu)
• 基于事件驅(qū)動(dòng)的Reactor模式詳解
• 同步IO和異步IO簡(jiǎn)介

2. IO事件和IO復(fù)用

2.1 什么是IO事件

IO指的是輸入Input/輸出Output，但是從漢語(yǔ)角度來(lái)說(shuō)，出和入是相對(duì)的，所以我們需要個(gè)參照物。這里我們的參照物選擇為程序運(yùn)行時(shí)的主存儲(chǔ)空間，外部通常包括網(wǎng)卡、磁盤等。有了上述的設(shè)定理解起來(lái)就方便多了，我們來(lái)一起看下：

IO的本質(zhì)是數(shù)據(jù)的流動(dòng)，數(shù)據(jù)可以從網(wǎng)卡到程序內(nèi)存，也可以從程序內(nèi)存寫到網(wǎng)卡，磁盤操作也是如此。

所以可以把常見的IO分為:

• 網(wǎng)絡(luò)IO：內(nèi)存和網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)交互
• 文件IO：內(nèi)存和磁盤的數(shù)據(jù)交互
  

那什么又是IO事件呢?事件可以理解為一種狀態(tài)或者動(dòng)作，也就是狀態(tài)的遷移會(huì)觸發(fā)一種相應(yīng)的動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)IO的事件通常包括：

 

• 可讀事件
• 可寫事件
• 異常事件

理解可讀可寫事件是非常有必要的，一般來(lái)說(shuō)一個(gè)socket大部分時(shí)候是可寫的，但是并不是都可讀。可讀一般代表是一個(gè)新連接或者原有連接有新數(shù)據(jù)交互，對(duì)于服務(wù)端程序來(lái)說(shuō)也是重點(diǎn)關(guān)注的事件。

 

2.2 什么是IO復(fù)用

設(shè)想假如有幾萬(wàn)個(gè)IO事件，那么應(yīng)用程序該如何管理呢?這就要提到IO復(fù)用了。IO復(fù)用從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是應(yīng)用程序借助于IO復(fù)用函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)很多類型的IO事件，當(dāng)這些注冊(cè)的IO事件發(fā)生變化時(shí)內(nèi)核就通過(guò)IO復(fù)用函數(shù)來(lái)通知應(yīng)用程序。

從圖中可以看到，IO復(fù)用中復(fù)用的就是一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)聽管理這些IO事件的線程。之所以可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程管理成百上千個(gè)IO事件，是因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間里某個(gè)時(shí)刻只有少量IO事件被觸發(fā)。

大概就像這樣：草原上的一只大狗可以看管幾十只綿羊，因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)候只有個(gè)別綿羊不守規(guī)矩亂跑，其他的都是乖乖吃草。

 

3. 網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計(jì)要素

要理解網(wǎng)絡(luò)框架有哪些，必須要清楚網(wǎng)絡(luò)框架完成了哪些事情。

大致描述下這個(gè)請(qǐng)求處理的流程：

 

• 遠(yuǎn)端的機(jī)器A發(fā)送了一個(gè)HTTP請(qǐng)求到服務(wù)器B，此時(shí)服務(wù)器B網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)并產(chǎn)生一個(gè)IO可讀事件;
• 我們以同步IO為例，此時(shí)內(nèi)核將該可讀事件通知到應(yīng)用程序的Listen線程;
• Listen線程將任務(wù)甩給Handler線程，由Handler將數(shù)據(jù)從內(nèi)核讀緩沖區(qū)拷貝到用戶空間讀緩沖區(qū);
• 請(qǐng)求數(shù)據(jù)包在應(yīng)用程序內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算和處理并封裝響應(yīng)包;
• Handler線程等待可寫事件的到來(lái);
• 當(dāng)這個(gè)連接可寫時(shí)將數(shù)據(jù)從用戶態(tài)寫緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，并通過(guò)網(wǎng)卡發(fā)送出去;

備注：上述例子是以同步IO為例，并且將線程中的角色分為L(zhǎng)isten線程、Handler線程、Worker線程，分別完成不同的工作，后續(xù)會(huì)詳細(xì)展開。

所以我們可以知道，要完成一個(gè)數(shù)據(jù)交互，涉及了幾大塊內(nèi)容：

• IO事件監(jiān)聽
• 數(shù)據(jù)拷貝
• 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

大白認(rèn)為，這三大塊內(nèi)容，不論什么形式的框架都繞不開，也是理解網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵所在。

 

4. 高性能網(wǎng)絡(luò)框架實(shí)踐

4.1 基于線程模型

在早期并發(fā)數(shù)不多的場(chǎng)景中，有一種One Request One Thread的架構(gòu)模式。該模式下每次接收一個(gè)新請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)處理線程，線程雖然消耗資源并不多，但是成千上萬(wàn)請(qǐng)求打過(guò)來(lái)，性能也是扛不住的。

這是一種比較原始的架構(gòu)，思路也非常清晰，創(chuàng)建多個(gè)線程來(lái)提供處理能力，但在高并發(fā)生產(chǎn)環(huán)境中幾乎沒(méi)有應(yīng)用，本文不再展開。

 

4.2 基于事件驅(qū)動(dòng)模型

當(dāng)前流行的是基于事件驅(qū)動(dòng)的IO復(fù)用模型，相比多線程模型優(yōu)勢(shì)很明顯。

在此我們先理解一下什么是事件驅(qū)動(dòng)Event-Drive-Model。

 

事件驅(qū)動(dòng)編程是一種編程范式，程序的執(zhí)行流由外部事件來(lái)決定，它的特點(diǎn)是包含一個(gè)事件循環(huán)，當(dāng)外部事件發(fā)生時(shí)使用回調(diào)機(jī)制來(lái)觸發(fā)相應(yīng)的處理。

通俗來(lái)說(shuō)就是：有一個(gè)循環(huán)裝置在一直等待各種事件的到來(lái)，并將到達(dá)的事件放到隊(duì)列中，再由一個(gè)分揀裝置來(lái)調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理裝置來(lái)響應(yīng)。

 

4.3 Reactor反應(yīng)堆模式

第一次聽到這個(gè)模式的時(shí)候很困惑，究竟反應(yīng)堆是個(gè)啥?研究了一下發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)堆是個(gè)核物理的概念，大致是這個(gè)樣子的：

核反應(yīng)堆是核電站的心臟 ，它的工作原理是這樣的：原子由原子核與核外電子組成，原子核由質(zhì)子與中子組成。

當(dāng)鈾235的原子核受到外來(lái)中子轟擊時(shí)，一個(gè)原子核會(huì)吸收一個(gè)中子分裂成兩個(gè)質(zhì)量較小的原子核，同時(shí)放出2-3個(gè)中子。

這裂變產(chǎn)生的中子又去轟擊另外的鈾235原子核，引起新的裂變，如此持續(xù)進(jìn)行就是裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

結(jié)合這種核裂變的圖，好像是一個(gè)請(qǐng)求打過(guò)來(lái)，服務(wù)器內(nèi)部瞬間延伸出很多分支來(lái)完成響應(yīng)，一變二，二變四，甚至更多，確實(shí)有種反應(yīng)堆的感覺(jué)。接下來(lái)我們看看究竟反應(yīng)堆模式是如何構(gòu)建高性能網(wǎng)絡(luò)框架的。

 

5.反應(yīng)堆模式詳解

反應(yīng)堆模式是一種思想，形式卻有很多種。

5.1 反應(yīng)堆模式的本質(zhì)是什么

從本質(zhì)上理解，無(wú)論什么網(wǎng)絡(luò)框架都要完成兩部分操作：

IO操作：數(shù)據(jù)包的讀取和寫入

CPU操作：數(shù)據(jù)請(qǐng)求的處理和封裝

所以上述這些問(wèn)題由誰(shuí)來(lái)做以及多少線程來(lái)做，就衍生出了很多形式，所以不要被表面現(xiàn)象迷惑，出現(xiàn)必有原因，追溯之后我們才能真正掌握它。

反應(yīng)堆模式根據(jù)處理IO環(huán)節(jié)和處理數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)的數(shù)量差異分為如下幾種：

 

• 單Reactor線程
• 單Reactor線程和線程池
• 多Reactor線程和線程池
  

我們來(lái)看看這三種常見模式的特點(diǎn)、原理、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景等。

 

5.2 單Reactor線程模式

這種模式最為簡(jiǎn)潔，一個(gè)線程完成了連接的監(jiān)聽、接收新連接、處理連接、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)全套工作。由于只使用了一個(gè)線程，對(duì)于多核利用率偏低，但是編程簡(jiǎn)單。是不是覺(jué)得這個(gè)種單線程的模式?jīng)]有市場(chǎng)?那可未必，不信你看Redis。

在這種模式種IO操作和CPU操作是沒(méi)有分開的，都是由1個(gè)線程來(lái)完成的，顯然如果在Handler處理某個(gè)請(qǐng)求超時(shí)了將會(huì)阻塞客戶端的正常連接。在Redis中由于都是內(nèi)存操作，速度很快，這種瓶頸雖然存在但是不夠明顯。

 

5.3 單Reactor線程和線程池模式

為了解決IO操作和CPU操作的不匹配，也就是IO操作和CPU操作是在一個(gè)線程內(nèi)部串行執(zhí)行的，這樣就拉低了CPU操作效率。

一種解決方法就是將IO操作和CPU操作分別由單獨(dú)的線程來(lái)完成，各玩各的互不影響。單Reactor線程完成IO操作、復(fù)用工作線程池來(lái)完成CPU操作就是一種解決思路。

在這種模式種由Reactor線程完成連接的管理和數(shù)據(jù)讀取&寫回，完全掌管IO操作。工作線程池處理來(lái)自上游分發(fā)的任務(wù)，對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、計(jì)算、編碼再返回給Reactor線程和客戶端完成交互。這種模式有效利用了多核，但是單Reactor線程來(lái)完成IO操作在高并發(fā)場(chǎng)景中仍然會(huì)出現(xiàn)瓶頸。換句話說(shuō)，連接實(shí)在太多了，一個(gè)Reactor線程忙不過(guò)來(lái)建立新連接和響應(yīng)舊連接這些事情，因此Reactor線程也需要幾個(gè)幫手。

 

5.4 多Reactor線程和線程池模式

水平擴(kuò)展往往是提供性能的有效方法。

 

我們將Reactor線程進(jìn)行擴(kuò)展，一個(gè)Reactor線程負(fù)責(zé)處理新連接，多個(gè)Reactor線程負(fù)責(zé)處理連接成功的IO數(shù)據(jù)讀寫。也就是進(jìn)一步將監(jiān)聽&創(chuàng)建連接 和 處理連接 分別由兩個(gè)及以上的線程來(lái)完成，進(jìn)一步提高了IO操作部分的效率。

這種模式算是比較高配的版本了，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境也有使用。

 

5.5 拓展：同步IO和異步IO

我們可以輕易區(qū)分什么是阻塞IO和非阻塞IO，那么什么是同步IO和異步IO呢?前面提到Reactor模式其中非常重要的一環(huán)就是調(diào)用read/write函數(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)拷貝，這部分是應(yīng)用程序自己完成的，內(nèi)核只負(fù)責(zé)通知監(jiān)控的事件到來(lái)了，所以本質(zhì)上Reactor模式屬于非阻塞同步IO。還有一種Preactor模式，借助于系統(tǒng)本身的異步IO特性，由操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，在完成之后來(lái)通知應(yīng)用程序來(lái)取就可以，效率更高一些，但是底層需要借助于內(nèi)核的異步IO機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

底層的異步IO機(jī)制可能借助于DMA和Zero-Copy技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上性能更高。當(dāng)前Windows系統(tǒng)通過(guò)IOCP實(shí)現(xiàn)了真正的異步I/O，而在Linux 系統(tǒng)的異步I/O還不完善，比如Linux中的boost.asio模塊就是異步IO的支持，但是目前Linux系統(tǒng)還是以基于Reactor模式的非阻塞同步IO為主。

 

6. 小結(jié)

 

本文從IO事件和IO復(fù)用出發(fā)，闡述了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最底層的組成。繼續(xù)展開了基于線程模型和基于事件驅(qū)動(dòng)模型的網(wǎng)絡(luò)框架特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)要素。之后重點(diǎn)描述了反應(yīng)堆模式的核心本質(zhì)，以及生產(chǎn)環(huán)境中的多種形式。最后簡(jiǎn)單介紹了同步IO和異步IO的區(qū)別，以及Preactor模式的優(yōu)勢(shì)。希望讀者朋友可以摒棄專業(yè)術(shù)語(yǔ)和表述，抓住問(wèn)題的本質(zhì)和重點(diǎn)，找到一個(gè)適合自己思維方法去理解和掌握高性能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)之道。或許，高性能網(wǎng)絡(luò)框架只是一個(gè)紙老虎。