理解TCP Socket编程模型和I/O多路复用技术

时间:2024-03-04 16:54:40

最基本Socket模型

基本只能一对一通信,因为使用的是同步阻塞的方式,当服务端在还没处理完一个客户端的网络 I/O 时,或者 读写操作发生阻塞时,其他客户端是无法与服务端连接的。

多进程模型

基于最原始的阻塞网络 I/O, 如果服务器要支持多个客户端,其中比较传统的方式,就是使用多进程模型,也就是为每个客户端分配一个进程来处理请求。

服务器的主进程负责监听客户的连接,一旦与客户端连接完成,accept() 函数就会返回一个「已连接 Socket」,这时就通过 fork() 函数创建一个子进程,实际上就把父进程所有相关的东西都复制一份,包括文件描述符、内存地址空间、程序计数器、执行的代码等。

正因为子进程会复制父进程的文件描述符,于是就可以直接使用「已连接 Socket 」和客户端通信了

可以发现,子进程不需要关心「监听 Socket」,只需要关心「已连接 Socket」;父进程则相反,将客户服务交给子进程来处理,因此父进程不需要关心「已连接 Socket」,只需要关心「监听 Socket」

这种用多个进程来应付多个客户端的方式,在应对 100 个客户端还是可行的,但是当客户端数量高达一万时,肯定扛不住的,因为每产生一个进程,必会占据一定的系统资源,而且进程间上下文切换的“包袱”是很重的,性能会大打折扣。

多线程模型

线程是运行在进程中,同进程里的线程可以共享进程的部分资源,比如文件描述符列表、进程空间、代码、全局数据、堆、共享库等,这些共享些资源在上下文切换时不需要切换,而只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据,因此同一个进程下的线程上下文切换的开销要比进程小得多

当服务器与客户端 TCP 完成连接后,将「已连接 Socket」的文件描述符传递给线程,接着在线程里和客户端进行通信,从而达到并发处理的目的。

我们可以使用线程池的方式来避免线程的频繁创建和销毁,所谓的线程池,就是提前创建若干个线程,这样当由新连接建立时,将这个已连接的 Socket 放入到一个队列里,然后线程池里的线程负责从队列中取出「已连接 Socket 」进行处理。

上面基于进程或者线程模型的,其实还是有问题的。新到来一个 TCP 连接,就需要分配一个进程或者线程,那么如果要达到 C10K,意味着要一台机器维护 1 万个连接,相当于要维护 1 万个进程/线程,操作系统就算死扛也是扛不住的。

I/O 多路复用模型

既然为每个请求分配一个进程/线程的方式不合适,那有没有可能只使用一个进程来维护多个 Socket 呢?答案是有的,那就是 I/O 多路复用技术。

一个进程虽然任一时刻只能处理一个请求,但是处理每个请求的事件时,耗时控制在 1 毫秒以内,这样 1 秒内就可以处理上千个请求,把时间拉长来看,多个请求复用了一个进程,这就是多路复用,这种思想很类似一个 CPU 并发多个进程,所以也叫做时分多路复用。

我们熟悉的 select/poll/epoll 内核提供给用户态的多路复用系统调用,进程可以通过一个系统调用函数从内核中获取多个事件

select/poll/epoll 是如何获取网络事件的呢?

先把所有连接(文件描述符)传给内核,在获取事件时,再由内核返回产生了事件的连接,然后在用户态中再处理这些连接对应的请求即可。

在获取事件时,

select/poll

select 实现多路复用的方式是,将已连接的 Socket 都放到一个文件描述符集合,然后将文件描述符集合拷贝到内核里,让内核来检查是否有网络事件产生,检查的方式很粗暴,就是通过遍历文件描述符集合的方式,当检查到有事件产生后,将此 Socket 标记为可读或可写, 接着再把整个文件描述符集合拷贝回用户态里,然后用户态还需要再通过遍历的方法找到可读或可写的 Socket,然后再对其处理。

所以,对于 select 这种方式,需要进行 2 次「遍历」文件描述符集合,一次是在内核态里,一个次是在用户态里 ,而且还会发生 2 次「拷贝」文件描述符集合,先从用户空间传入内核空间,由内核修改后,再传出到用户空间中。

select 使用固定长度的 BitsMap,表示文件描述符集合,而且所支持的文件描述符的个数是有限制的,在 Linux 系统中,由内核中的 FD_SETSIZE 限制, 默认最大值为 1024,只能监听 0~1023 的文件描述符。


poll 不再用 BitsMap 来存储所关注的文件描述符,取而代之用动态数组,以链表形式来组织,突破了 select 的文件描述符个数限制,当然还会受到系统文件描述符限制。

但是 poll 和 select 并没有太大的本质区别,都是使用「线性结构」存储进程关注的 Socket 集合,因此都需要遍历文件描述符集合来找到可读或可写的 Socket,时间复杂度为 O(n),而且也需要在用户态与内核态之间拷贝文件描述符集合,这种方式随着并发数上来,性能的损耗会呈指数级增长。

epoll

epoll 通过两个方面,很好解决了 select/poll 的问题。

  • 第一点,epoll 在内核里使用红黑树来跟踪进程所有待检测的文件描述字,把需要监控的 socket 加入内核中的红黑树里,select/poll 内核里没有类似 epoll 红黑树这种保存所有待检测的 socket 的数据结构,所以 select/poll 每次操作时都传入整个 socket 集合给内核,当使用 epoll 时,用户只需要将要监控的文件描述符添加到内核维护的红黑树中,而不需要每次都传递整个文件描述符集合。这样一来,内核可以更高效地管理文件描述符,并且在事件发生时只需通知发生事件的文件描述符,而不需要遍历整个集合。

  • 第二点, epoll 使用事件驱动的机制,内核里维护了一个链表来记录就绪事件,当某个 socket 有事件发生时,通过回调函数内核会将其加入到这个就绪事件列表中,当用户调用 epoll_wait() 函数时,只会返回有事件发生的文件描述符的个数,不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个 socket 集合,大大提高了检测的效率。

epoll 的方式即使监听的 Socket 数量越多的时候,效率不会大幅度降低,能够同时监听的 Socket 的数目也非常的多了,上限就为系统定义的进程打开的最大文件描述符个数。因而,epoll 被称为解决 C10K 问题的利器

插个题外话,网上文章不少说,epoll_wait 返回时,对于就绪的事件,epoll 使用的是共享内存的方式,即用户态和内核态都指向了就绪链表,所以就避免了内存拷贝消耗。这是错的!看过 epoll 内核源码的都知道,压根就没有使用共享内存这个玩意。epoll_wait 实现的内核代码中调用了 __put_user 函数,这个函数就是将数据从内核拷贝到用户空间

边缘触发和水平触发

epoll 支持两种事件触发模式,分别是边缘触发水平触发

  • 使用边缘触发模式时,当被监控的 Socket 描述符上有可读事件发生时,服务器端只会从 epoll_wait 中苏醒一次

  • 使用水平触发模式时,当被监控的 Socket 上有可读事件发生时,服务器端不断地从 epoll_wait 中苏醒,直到内核缓冲区数据被 read 函数读完才结束

举个例子,你的快递被放到了一个快递箱里,如果快递箱只会通过短信通知你一次,即使你一直没有去取,它也不会再发送第二条短信提醒你,这个方式就是边缘触发;如果快递箱发现你的快递没有被取出,它就会不停地发短信通知你,直到你取出了快递,它才消停,这个就是水平触发的方式

  • 如果使用水平触发模式,当内核通知文件描述符可读写时,接下来还可以继续去检测它的状态,看它是否依然可读或可写。所以在收到通知后,没必要一次执行尽可能多的读写操作

  • 如果使用边缘触发模式,I/O 事件发生时只会通知一次,而且我们不知道到底能读写多少数据,所以在收到通知后应尽可能地读写数据,以免错失读写的机会。因此,我们会循环从文件描述符读写数据,那么如果文件描述符是阻塞的,没有数据可读写时,进程会阻塞在读写函数那里,程序就没办法继续往下执行。所以,边缘触发模式一般和非阻塞 I/O 搭配使用

一般来说,边缘触发的效率比水平触发的效率要高,因为边缘触发可以减少 epoll_wait 的系统调用次数,系统调用也是有一定的开销的的,毕竟也存在上下文的切换。