網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維|從網(wǎng)絡(luò)IO看高性能架構(gòu)

2020-06-19 17:00 作者：艾銻無限 瀏覽量：

網(wǎng)絡(luò)維護(hù)是一種日常維護(hù)，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理(如計算機(jī)，服務(wù)器)、操作系統(tǒng)維護(hù)(系統(tǒng)打補(bǔ)丁，系統(tǒng)升級)、網(wǎng)絡(luò)安全(病毒防范)等。+

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相信大家肯定聽過什么阻塞/非阻塞IO，同步/異步調(diào)用，我也嘗試過死記概念，結(jié)果大家應(yīng)該都有體會，過一陣子就忘記了。知其然而不知其所以然~然并卵。

大家在選擇一門語言或者一個框架的時候肯定優(yōu)先看它的性能，也就是并發(fā)量，例如常用的測試手段，就是用該語言或者框架寫個http server服務(wù)器，對于http請求返回一個“hello，world!”，利用wrk進(jìn)行壓測，看看每分鐘請求量最高能到多少，在4核8G的Ubuntu服務(wù)器上跑該http服務(wù)，利用wrk壓測，gin框架每分鐘能處理的請求量接近300W!這是相當(dāng)優(yōu)秀的!

前一陣子在go meet up深圳討論語言性能的時候，有位老哥說同等業(yè)務(wù)與機(jī)器，PHP每秒請求量大概在300多，處理三萬并發(fā)量的服務(wù)程序， go需要一臺服務(wù)器，而PHP需要一百臺。我當(dāng)時非常震驚，為什么語言之間的差別這么大，是什么原因造成這個巨大的差別呢?我問Boss Lee(meet up講師，一位技術(shù)大佬)，他跟我說因為PHP是一個請求開一個進(jìn)程處理，注意是進(jìn)程而不是線程!

那為什么用進(jìn)程處理請求會造成性能差別這么大，甚至到了一百臺服務(wù)器的差別呢?(一百臺服務(wù)器一年得上百萬吧~)

經(jīng)過我查閱資料，得出了是 網(wǎng)絡(luò)IO模型造成了性能根本上的差別 這一結(jié)論!

這里直接說結(jié)論：PHP是阻塞IO+多進(jìn)程模型，大名鼎鼎的Netty(JAVA)框架是主從reactor+worker threads 模式。

為什么?因為CPU切換進(jìn)程或線程所帶來的性能損耗是巨大的，主從reactor模式解決了IO分發(fā)的高效率問題!

這里先記住結(jié)論，后文看解析

2.三大網(wǎng)絡(luò)模型

2.1阻塞IO+多進(jìn)程

服務(wù)器初始監(jiān)聽在lisnted_fd到接字上，此時一個客戶端發(fā)起連接請求，連接成功后產(chǎn)生連接套接字，此時父進(jìn)程fork出一個子進(jìn)程，子進(jìn)程拿到連接套接字，并以此與客戶端通信。在這種網(wǎng)絡(luò)模型下，父進(jìn)程關(guān)心的是監(jiān)聽套接字，子進(jìn)程關(guān)心的是連接套接字。
這種網(wǎng)絡(luò)模型編程簡單，但是效率不高。

2.2阻塞IO+多線程

進(jìn)程切換上下文代價是相當(dāng)高的，有一種類似進(jìn)程，但是切換開銷比進(jìn)程小的東西，那就是線程。

為什么說線程切換比進(jìn)程切換開銷要小呢?

因為線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理，在同一個進(jìn)程中，所有的線程共享該進(jìn)程的整個虛擬地址空間，包括代碼、數(shù)據(jù)、堆、共享庫等。

我們的代碼被CPU執(zhí)行需要一些數(shù)據(jù)支撐的，這就是所謂的上下文，包括但不限于程序計數(shù)器需要告訴CPU代碼執(zhí)行到哪里了，寄存器中存放了一些計算中間值，內(nèi)從中存放了當(dāng)前一些變量等。 從一個計算場景切換到另一個計算場景，這些值都需要重新載入，這就是上下文切換。

2.2非阻塞IO+IO多路復(fù)用

使用poll和epoll可以設(shè)計出基于套接字滿足高性能，高并發(fā)的事件驅(qū)動程序。

事件驅(qū)動模型，叫做 reactor模型，或者Even loop模型。 是不是很熟悉?這個模型的核心有兩點(diǎn)：

· 存在一個無限循環(huán)的事件分發(fā)線程，叫reactor線程，或者Even loop線程。這個分發(fā)線程背后的技術(shù)就是poll與epoll這類的IO多路復(fù)用技術(shù)。

· 所有的IO操作都可抽象為事件，每個事件必須有回調(diào)函數(shù)來處理。acceptor上有連接建立，已連接套接字的發(fā)送緩沖區(qū)可以寫，通信管道pipe上有數(shù)據(jù)可以讀，這些事件通過事件分發(fā)，都能被檢測并調(diào)用回調(diào)函數(shù)處理。

· 單reactor模型 + worker threads該模型是將acceptor上連接建立事件，和已連接套接字的IO事件的分發(fā)由一個reactor線程去執(zhí)行，由工作線程去處理耗時操作，例如數(shù)據(jù)庫讀取，文件解析，計算等等。單reactor模型 + worker threads.png

· 主從reactor模型 + worker threads當(dāng)所有acceptor的連接建立事件和已連接套接字的IO事件交由一個reactor線程處理，在并發(fā)量較高的情況下，這個reactor線程會 忙不過來 ，表現(xiàn)在客戶端連接建立成功率偏低。

那么主從模式的核心思想就在于，主reactor上只監(jiān)聽acceptor上成功建立的連接事件，并將其分發(fā)給從reactor線程，從reactor線程只需要負(fù)責(zé)已連接套接字上的IO事件。

總結(jié)：我們通過主reactor線程來分發(fā)成功建立的套接字，通過從reactor線程來分發(fā)已連接套接字上的IO事件，通過工作線程來處理耗時操作! 更進(jìn)一步---通過用戶態(tài)自己建立的協(xié)程機(jī)制來調(diào)度業(yè)務(wù)處理程序，用戶態(tài)自己管理協(xié)程間切換，避免了CPU切換線程，又能為程序帶來更高的處理效率!

3. 五種網(wǎng)絡(luò)IO簡介

· 阻塞IO

· 非阻塞IO

· IO多路復(fù)用

· 異步IO

· 信號驅(qū)動IO

阻塞IO：

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用阻塞IO完成某個操作時，應(yīng)用程序會被掛起，感覺上應(yīng)用程序像是被“阻塞”了一樣。實(shí)際上，內(nèi)核所做的事情是將CPU時間切換給了其他有需要的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序在這種情況下就會得不到CPU時間做該做的事情。

非阻塞IO：

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用非阻塞IO完成某個操作時，內(nèi)核立即返回，不會把CPU時間讓出給其他進(jìn)程，應(yīng)用程序在返回后可以得到足夠的CPU時間做其他的事情。

IO多路復(fù)用：

我們可以把標(biāo)準(zhǔn)輸入、套接字都看作IO的一路，多路復(fù)用的意思，就是在任何一路IO有“事件”發(fā)生的情況下，通過應(yīng)用程序去處理相應(yīng)的IO事件，這樣我們的程序就“好像”在同一時刻處理多個IO事件。

異步IO：

當(dāng)一個異步過程調(diào)用發(fā)出后，調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實(shí)際處理這個調(diào)用的部件在完成后，通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者。

信號驅(qū)動IO：

應(yīng)用進(jìn)程使用 sigaction 系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核立即返回，應(yīng)用進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好讀取時，內(nèi)核就為該進(jìn)程產(chǎn)生一個SIGIO信號，我們隨后可以在信號處理函數(shù)中讀取數(shù)據(jù)報，也可以立即通知主循環(huán)，讓他讀取數(shù)據(jù)。

4.網(wǎng)絡(luò)IO的本質(zhì)

網(wǎng)絡(luò)IO的本質(zhì)就是socket流的讀取，通常一次IO讀操作會涉及到兩個對象和兩個階段。

兩個對象：

· 用戶進(jìn)程(線程)

· 內(nèi)核對象

兩個階段：

· 等待數(shù)據(jù)流準(zhǔn)備

· 從內(nèi)核向進(jìn)程復(fù)制數(shù)據(jù)

對于socket流而言：

· 第一步通常涉及等待網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分組到達(dá)，然后被復(fù)制到內(nèi)核的某個緩沖區(qū)。

· 第二步把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到進(jìn)程緩沖區(qū)。

5. 如何區(qū)分阻塞IO和非阻塞IO

阻塞IO發(fā)起的read請求，線程會被掛起，一直等到內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并把數(shù)據(jù)從內(nèi)核區(qū)域拷貝到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)中，拷貝完成后，read請求調(diào)用才返回。

非阻塞IO的read請求在數(shù)據(jù)為準(zhǔn)備的情況下立即返回，應(yīng)用程序可以不斷查詢內(nèi)核，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序緩沖區(qū)并完成這次read調(diào)用。

6. 如何區(qū)分同步和異步

同步調(diào)用與 異步調(diào)用 是對于獲取數(shù)據(jù)的過程而言的，前面的幾種最后獲取數(shù)據(jù)的read操作調(diào)用，都是同步的，即在read調(diào)用時，內(nèi)核將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到應(yīng)用程序空間，這個過程是在read函數(shù)中同步進(jìn)行的。

當(dāng)我們發(fā)起異步讀(aio_read)之后，就立即返回，內(nèi)核自動將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到應(yīng)用程序空間，這個拷貝過程是異步的，內(nèi)核自動完成的，和前面的同步操作不一樣，應(yīng)用程序并不需要主動發(fā)起拷貝動作。
 
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