高性能IO底层原理

文章目录

• • 高性能IO底层原理
  • • • IO读写的基础原理
      • 内核缓冲区与进程缓冲区
      • 典型的系统调用流程
      • 五种主要的IO模型
      • • IO多路复用模型的特点

高性能IO底层原理 IO读写的基础原理

​ 用户程序进行IO的读写，依赖于底层的IO读写。都会用到read&write两大系统调用，不通 *** 作系统中，IO读写系统调用的名称可能不完全相同，功能基本一致。在用户程序中，无论是Socket的IO还是文件IO *** 作都属于上层应用开发。

​ read系统调用：并不是直接从物理设备把数据读取到内存中，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区

​ write系统调用：也不是直接把数据写入到物理设备，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区

即上层应用无论是调用 *** 作系统的read还是调用 *** 作系统的write，都会涉及到缓冲区。
上层应用的IO *** 作，实际上不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制。
read&write两大系统调用，都不负责数据在内核缓冲区和磁盘之间的交换。底层的读写交换是由 *** 作系统内核来完成的。

内核缓冲区与进程缓冲区

​ 缓冲区的目的是为了减少频繁与设备之间的物理交换。设备的直接读写，涉及 *** 作系统的中断。
当发生系统中断时，需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束中断之后，还需要恢复之前的进程数据和状态等信息。为了减少这种底层系统的时间损耗，性能损耗，就出行了内存缓冲区。

​ 有了内存缓冲区后，上层应用使用read系统调用时，仅仅是把数据从内核缓冲区复制到上层应用的缓冲区（进程缓冲区）；上层应用使用write系统调用时，只需要把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。底层 *** 作会对内核缓冲区进行监控，等待缓冲区达到一定数量时，再进行IO设备的中断处理，集中执行物理设备的实际IO *** 作，这种机制提示了系统的性能。以至于什么时候中断（读中断，写中断），由 *** 作系统的内核决定，用户程序不需要关心。

​ 从数量上来说，Linux系统中， *** 作系统内核只有一个内核缓冲区。
每个用户程序（进程），有自己的缓冲区，叫做进程缓冲区。
所以用户程序的IO读写程序，在大多数情况下，没有进行实际的IO *** 作，而是在进程缓冲区和内核缓冲区直接之间进行的数据交换。

典型的系统调用流程

​ 图示 系统调用read&write流程

​ 例如read系统调用的输入流程

• 等待数据就绪

• 从内核向进程复制数据。

  如果read是一个socket。那么具体流程为：

  • 等待数据从网络中到达网卡，当等待的分组到达时，数据会被复制到内核中的某个缓冲区。

    （这个 *** 作有 *** 作系统完成，用户程序无感知）

  • 把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区

​ 从客户端和服务器端的角度来理解，即一次socket的请求和响应如下

• 客户端请求: linux通过网卡读取到客户端的请求数据，将数据读取到内核缓冲区
• 服务器端获取请求数据：通过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
• 服务器端业务处理：Java进程在自己的用户空间处理客户端的请求
• 服务器端返回数据：Java进程处理完成，构建好响应数据。通过write系统调用。将这些数据从用户缓存区写入内核缓冲区
• 发送至客户端：linux内核通过网络IO，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，会将数据发送给目标客户端。

五种主要的IO模型

• 同步阻塞IO （Blocking IO）

  ​ 阻塞IO，指需要内核IO *** 作彻底完成后，才返回到用户空间执行用户的 *** 作。

  阻塞指的是用户空间程序的执行状态，传统的IO模型都是同步阻塞IO。

  Java中默认创建的socket都是阻塞的。

• 同步非阻塞IO （Non-blocking IO）

  ​ 非阻塞IO，指的是用户程序不需要等待内核IO *** 作彻底完成，可以立即返回执行用户 *** 作，即处于非阻塞的状态。

  ​ 非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK

  ​ 用户程序需要不断的进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，制度完成IO系统调用为止。

  • 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，实时性比较好。
  • 缺点：不断地轮询内核，占用大量的CPU时间，效率低下。

  阻塞和非阻塞

  ​ 阻塞是指用户空间（调用线程）一直等待，非阻塞指用户空间（调用线程）拿到内核返回的状态值就返回自己的空间。

• IO多路复用（IO Multiplexing）

  ​ 避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题，可以采用IO多路复用模型。

  ​ 在IO多路复用中，引入了一种新的系统调用，查询IO的就绪状态。在Linux系统中，对应的 *** 作系统调用为select/epoll系统调用。通过该系统调用，一个进程可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内存能过将就绪的状态返回给应用程序。随后，应用程序根据就绪的状态，进行对应IO系统调用。

  ​ 在IO多路复用模型中通过select/epoll系统调用，单个应用程序的进程，可以不断的轮询成百上千个的socket连接，当某个或者某些socket网络连接有IO就绪的状态，就返回对应的可执行的读写 *** 作。

  例如发起一个多路复用IO的read读 *** 作系统调用

  • 选择器注册

    先将read *** 作的目标socket网络连接，提前注册到select/epoll选择器中（Java中对应Selector类）

  • 就绪状态的轮询

    通过选择器的查询方法，查询所有注册过的socket连接的就绪状态。当其中任何一个socket连接数据准备好了，内核缓冲区有数据（就绪）了，内核就会将该socket连接维护为就绪状态。
    通过查询的系统调用，内核会返回一个就绪的socket列表。

    当用户程序执行select方法,整个线程就会阻塞掉

  • 用户线程发起read调用

    用户线程获取到就绪状态的socket列表后，依靠socket连接发起read系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，将数据从内存缓冲区复制到用户缓冲区。

  • 复制完成

    复制完成后，内核返回结果，用户线程接触阻塞状态。用户线程获取到了数据，继续向下执行。

  IO多路复用模型的特点

  • *** 作系统的内核必须能够提供多路分离的系统调用select/epoll。

  • 多路复用也需要轮询，负责select/epoll查询调用的线程，需要不断的进行select/epoll轮询，进而

    获取到就绪的socket连接。

  • 优点: 与一个线程维护一个连接的阻塞IO模式相比，优势在于一个选择器查询的线程可以同时处理成千上万个连接（Connection）。系统不必创建，维护大量线程。减小系统开销。

  • 缺点: 本质上，select/epoll 系统调用也是阻塞式的，属于同步IO。需要等待读写事件就绪后，由系统调用本身进行读写。

• 异步IO (Asynchronous IO)

  彻底解决线程的阻塞，需要引入异步IO模型。

  异步IO，指的是用户空间与内核空间的调用方式反过来，用户空间的线程编程被动接受者，而内核空间成为主动调用者。

  类似于Java中比较典型的回调模式，用户空间的线程向内核空间注册了各种IO时间的回调函数，由内核去主动调用。