高性能网络编程 - 解读5种I/O模型 介绍完服务器如何基于 I/O 模型管理连接,获取输入数据,下面将介绍基于进程/线程模型,服务器如何处理请求。
值得说明的是,具体选择线程还是进程,更多是与平台及编程语言相关。
例如 C 语言使用线程和进程都可以(例如 Nginx 使用进程,Memcached 使用线程),Java 语言一般使用线程(例如 Netty),为了描述方便,下面都使用线程来进行描述。
存在问题:
基本介绍
针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点,比较常见的有如下解决方案:
1)基于 I/O 复用模型:多个连接共用一个阻塞对象,应用程序只需要在一个阻塞对象上等待,无需阻塞等待所有连接。当某条连接有新的数据可以处理时,操作系统通知应用程序,线程从阻塞状态返回,开始进行业务处理;
2)基于线程池复用线程资源:不必再为每个连接创建线程,将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理,一个线程可以处理多个连接的业务。
I/O 复用结合线程池,这就是 Reactor 模式基本设计思想
Reactor 模式,是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式。
服务端程序处理传入多路请求,并将它们同步分派给请求对应的处理线程,Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式。
即 I/O 多路复用统一监听事件,收到事件后分发(Dispatch 给某进程),是编写高性能网络服务器的必备技术之一。
Reactor 模式中有 2 个关键组成:
1)Reactor:Reactor 在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员,它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人;
2)Handlers:处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件,类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作。
根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同,有 3 种典型的实现:
其中,Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API,可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求,其他方案示意图类似。
方案说明:
优点:模型简单,没有多线程、进程通信、竞争的问题,全部都在一个线程中完成。
缺点:性能问题,只有一个线程,无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时,整个进程无法处理其他连接事件,很容易导致性能瓶颈。
可靠性问题,线程意外跑飞,或者进入死循环,会导致整个系统通信模块不可用,不能接收和处理外部消息,造成节点故障。
使用场景:客户端的数量有限,业务处理非常快速,比如 Redis,业务处理的时间复杂度 O(1)。
方案说明:
优点:可以充分利用多核 CPU 的处理能力。
缺点:多线程数据共享和访问比较复杂;Reactor 承担所有事件的监听和响应,在单线程中运行,高并发场景下容易成为性能瓶颈。
针对单 Reactor 多线程模型中,Reactor 在单线程中运行,高并发场景下容易成为性能瓶颈,可以让 Reactor 在多线程中运行。
方案说明:
优点:父线程与子线程的数据交互简单职责明确,父线程只需要接收新连接,子线程完成后续的业务处理。
父线程与子线程的数据交互简单,Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程,子线程无需返回数据。
这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程,Netty 主从多线程模型的支持。
3 种模式可以用个比喻来理解:(餐厅常常雇佣接待员负责迎接顾客,当顾客入坐后,侍应生专门为这张桌子服务)
Reactor 模式具有如下的优点:
在 Reactor 模式中,Reactor 等待某个事件或者可应用或者操作的状态发生(比如文件描述符可读写,或者是 Socket 可读写)。
然后把这个事件传给事先注册的 Handler(事件处理函数或者回调函数),由后者来做实际的读写操作。
其中的读写操作都需要应用程序同步操作,所以 Reactor 是非阻塞同步网络模型。
如果把 I/O 操作改为异步,即交给操作系统来完成就能进一步提升性能,这就是异步网络模型 Proactor
Proactor Initiator
创建 Proactor
和 Handler
对象,并将 Proactor
和 Handler
都通过 AsyOptProcessor
(Asynchronous Operation Processor)注册到内核;AsyOptProcessor
处理注册请求,并处理 I/O 操作;AsyOptProcessor
完成 I/O 操作后通知 Proactor;Proactor
根据不同的事件类型回调不同的 Handler 进行业务处理;Handler
完成业务处理。可以看出 Proactor 和 Reactor 的区别:
理论上 Proactor 比 Reactor 效率更高,异步 I/O 更加充分发挥 DMA(Direct Memory Access,直接内存存取)的优势。
但是Proactor有如下缺点:
因此在 Linux 下实现高并发网络编程都是以 Reactor 模型为主。