从网络I/O模型到Netty，先深入了解下I/O多路复用

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本文是Netty系列第3篇

上一篇文章我们了解了Unix标准的5种网络I/O模型，知道了它们的核心区别与各自的优缺点。尤其是I/O多路复用模型，在高并发场景下，有着非常好的优势。而Netty也采用了I/O多路复用模型。

那Netty是如何实现I/O多路复用的呢？

Netty实际上也是一个封装好的框架，它的本质上还是使用了Java的NIO包(New IO，不是网络I/O模型的NIO，Nonblocking IO)包，Java NIO包里面使用了I/O多路复用。

所以，本文作为一个 前置知识 + 高频面试题 章节（手动狗头），一起来深入了解下I/O多路复用模型吧。

 

本文预计阅读时间 5分钟，将重点回答以下两个问题：

• I/O多路复用模式有哪些实现？select/poll/epoll
• select/poll/epoll有什么区别

1.I/O多路复用模式的实现

这是我们上一篇讲I/O多路复用使用的图，可以再回顾一下I/O多路复用模型。

 

多个的进程的IO可以注册到一个复用器（selector）上，然后用一个进程调用select，select会监听所有注册进来的IO。

举个例子。
在BIO模式中，一个老师（应用进程/线程）只能同时处理一个同学（IO流）的问题。如果有10个同学，就需要配置10个老师来做一对一的讲解。

在IO多路复用模型中。我们给 老师 配置了一个 班长（复用器Selector）。班长 负责观察班级里的10个同学谁要提问，一旦有同学举手，班长就反馈老师去处理这个举手同学的问题。

这样一来，只需要1个老师，老师 只需要注意 班长 的反馈，就能及时处理对应的 同学 的问题了。

下面我们具体来看看I/O多路复用的三种实现：select、poll、epoll。

需要注意的是，select，poll，epoll都是IO多路复用的实现方式，而且本质上都是同步I/O，因为它们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的。
而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。

2. select

Linux系统提供了一个函数select来供开发者使用select多路复用机制。

 

该函数的作用是：

通过轮询，可以同时监视多个文件描述符是否发生了读、写、异常这三类IO事件。

最后返回发生IO事件的文件描述符数量，以及读事件、写事件、异常事件这三种事件分别发生在哪些文件描述符中（readfds、writefds、errorfds三个参数）。

文件描述符（File descriptor）是计算机中的一个术语，用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

Linux下一切皆文件，包括IO设备也是。因此要对某个设备进行操作，就需要打开此设备文件，打开文件就会获得该文件的文件描述符fd( file discriptor)，它就是一个很小的整数。

 

我们结合 老师-班长-同学 的模型来理解下这个过程。

• 老师把学生名单（xxxxfds）给班长，让班长关注班级里的所有同学。
• 班长时刻轮训班级里每个同学的状态（轮训所有fd_set），直到 超时 或者 有同学举手。
• 一旦有同学举手，班长就会把学生名单上有变化的学生名字做标记，并把一共多少个学生有变化返回给 老师。
• 老师可以获得举手同学的数量，并在学生名单（xxxxfds）上看的有哪几个同学发生了事件（读、写、异常）。
• 老师拿到学生名单后，轮训班级里面的每个同学状态，根据具体的 读、写、异常事件 来进行IO处理。

特别注意，在select函数下，老师仅仅知道有学生发生变化了，但到底是哪些学生发生变化，他需要 轮训 一遍同学名单，找出举手的同学，然后倾听他的问题，并回答他的问题。

select的缺点比较明显：

• 具有O(n)的无差别轮询时间复杂度，每次调用需要轮训fd_set，同时处理得越多，轮询时间就越长。
• 每次调用select函数，都需要把 所有 fd_set从 用户态 拷贝到 内核态 进行轮训，如果fd_set比较大，对性能影响就非常大。

3. poll

poll的实现和select非常相似，我们就不重复说明了，直接介绍一下区别。poll函数如下：

 

主要是描述fd集合的方式不同，poll使用pollfd结构而不是select的fd_set结构，pollfd结构使用链表而非数组，这导致pollfd的长度没有限制。但是如果pollfd长度过大，会导致性能下降。

除此之外，二者的原理基本一致，即对多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理。

因此，二者的缺陷也基本一致。

4. epoll

epoll的全称是eventpoll，它是基于event事件进行实现的，是linux特有的I/O复用函数。

它在实现和使用上和select\poll有很大差别：

• epoll通过一组函数来完成任务，而不是单个函数。
• epoll把用户关心的文件描述符fd放在一个事件表中，而不是像select/poll那样把所有文件描述符集合（fds）传来传去。
• epoll需要一个额外的文件描述符fd来表示这个事件表。

不同于select使用三个fd_set来对应读/写/异常的IO变化，epoll专门定义了一个epoll_event结构体，将其作为读/写/异常的IO变化的逻辑封装，称为事件（event）。

 

4.1 epoll的三个核心函数

epoll把原先的select/poll调用分成了3个函数。

 

• 调用int epoll_create(int size)建立一个epoll句柄对象，返回一个文件描述符fd，指向 事件表。在linux下如果查看/proc/进程id/fd/，是能够看到这个fd的，所以在使用完epoll后，必须调用close()关闭，否则可能导致fd被耗尽。
• 参数size并不是限制了epoll所能监听的描述符最大个数，只是对内核初始分配内部数据结构的一个建议。

 

• 调用epoll_ctl向epoll对象中添加连接的套接字。
• epfd就是epoll_creat返回的id。
• op表示具体操作。包括添加fd的监听事件EPOLL_CTL_ADD、删除fd的监听事件EPOLL_CTL_DEL、修改fd的监听事件EPOLL_CTL_MOD。
• fd是需要监听的fd（文件描述符）
• event是告诉内核需要监听哪个事件

 

• 调用epoll_wait收集发生的事件的连接
• 返回值表示已经准备继续的文件描述符的总数。
• epfd表示事件表。
• events表示 准备就绪的事件数组。event_wait如果检测到事件，就把就绪的事件从 事件表 中复制到这个数组中。（比select/poll高效的地方！！）
• maxevents表示最多监听多少事件。

4.2 epoll的实现原理

当某一进程调用 epoll_create()方法 时，内核空间会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员变量与epoll的使用方式密切相关，结构体如下所示：

 

• 红黑树根节点rbr：红黑树的根节点，这颗树中存储着所有添加到epoll中的需要监控的事件
• 链表rdlist：链表中则存放着将要通过epoll_wait返回给用户的满足条件的事件

用 epoll_ctl()方法 将新添加的监控事件event加入到 红黑树rbr 中。还会给内核中断处理程序注册一个 回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。

一旦基于某个文件描述符就绪时，内核会采用类似callback的回调机制，迅速激活这个文件描述符，被触发的事件会被 回调函数 加入eventpoll的 链表rdlist 中。

当调用 epoll_wait（）方法 检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist链表中是否有元素即可。如果链表中有数据的话，就把对应有修改的事件event复制到epoll_wait()方法的events数组变量中，用户就能获得了。

对比select/poll，我们可以看到此处不需要遍历监听的文件描述符，这正是epoll的魅力所在。

如此一来，epoll_wait的效率就非常高了。因为调用epoll_wait时，不需要向操作系统复制所有的连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

4.3 epoll中有使用共享内存吗？

很多博客提到了这点：

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

但是事实确实如此吗？

源码面前无密码，我们直接看下源码吧。
参考eventpoll.c的源码。

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/fs/eventpoll.c

具体的epoll_wait调用关系如下图所示。

 

我们可以在put_user中看到具体的说明。

 

因此，事件确实是从内核空间拷贝到用户空间的，并没有使用共享内存。

5.三种实现对比

通过上面的分析，相信大家都已经了解了select/poll/epoll的实现。
下面通过一个表格来总结他们的主要区别。

	select	poll	epoll
事件集合	用户通过传递3个参数来关注 可读、可写、异常 3类事件	统一所有事件类型，只用1个参数来关注	通过1个事件表来管理用户订阅的事件
事件传递效率	每次等待socket事件，都需要把所有socket从用户态拷贝至内核态	同select	只需将socket添加一次到红黑树上即可
内核检测就绪效率	每次调用需要扫描整个注册的文件描述符集合，然后将其中已经就绪的文件描述符设置在传入的数组中	同select	通过回调机制，将就绪的事件加入链表rdlist
应用检查已经就绪的 事件 效率	遍历，O(n)复杂度	遍历， O(n)复杂度	只获取已经就绪的事件rdlist，O(1)复杂度
最大支持文件描述符	数组存放事件，有最大限制	链表存放事件，无最大限制（受系统最大限制）	红黑树存放事件，无最大限制（受系统最大限制）

从整体来看，epoll的实现性能是比select/poll更好的。

当然，如果保持活跃的连接一直非常多，epoll_wait的效率就不一定高了，因为此时epoll_wait的回调函数触发过于频繁。

因此，epoll最适合的场景是连接数量很多，但是活跃连接数量不多的情况。

 

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参考书目：
《Linux高性能服务器编程》

 

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