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为什么网络 I/O 会被阻塞?

最近打算输出 Netty 相关的文章,但要深入学习 Netty 这个底层通信框架,网络相关知识点不可或缺。所以我打算先写一些前置知识点,对齐一下认识,便于之后对 Netty 的理解。

作者: 是Yes呀 来源:yes的练级攻略|2021-10-13 06:49

本文转载自微信公众号「yes的练级攻略」,作者是Yes呀。转载本文请联系yes的练级攻略公众号。

你好,我是yes。

最近打算输出 Netty 相关的文章,但要深入学习 Netty 这个底层通信框架,网络相关知识点不可或缺。所以我打算先写一些前置知识点,对齐一下认识,便于之后对 Netty 的理解。

我们应该都知道 socket(套接字),你可以认为我们的通信都要基于这个玩意,而常说的网络通信又分为 TCP 与 UDP 两种,下面我会以 TCP 通信为例来阐述下 socket 的通信流程。

不过在此之前,我先来说说什么叫 I/O。

I/O到底是什么?

I/O 其实就是 input 和 output 的缩写,即输入/输出。

那输入输出啥呢?

比如我们用键盘来敲代码其实就是输入,那显示器显示图案就是输出,这其实就是 I/O。

而我们时常关心的磁盘 I/O 指的是硬盘和内存之间的输入输出。

读取本地文件的时候,要将磁盘的数据拷贝到内存中,修改本地文件的时候,需要把修改后的数据拷贝到磁盘中。

网络 I/O 指的是网卡与内存之间的输入输出。

当网络上的数据到来时,网卡需要将数据拷贝到内存中。当要发送数据给网络上的其他人时,需要将数据从内存拷贝到网卡里。

那为什么都要跟内存交互呢?

我们的指令最终是由 CPU 执行的,究其原因是 CPU 与内存交互的速度远高于 CPU 和这些外部设备直接交互的速度。

因此都是和内存交互,当然假设没有内存,让 CPU 直接和外部设备交互,那也算 I/O。

总结下:I/O 就是指内存与外部设备之间的交互(数据拷贝)。

好了,明确什么是 I/O 之后,让我们来揭一揭 socket 通信内幕~

创建 socket

首先服务端需要先创建一个 socket。在 Linux 中一切都是文件,那么创建的 socket 也是文件,每个文件都有一个整型的文件描述符(fd)来指代这个文件。

  1. int socket(int domain, int type, int protocol); 
  • domain:这个参数用于选择通信的协议族,比如选择 IPv4 通信,还是 IPv6 通信等等
  • type:选择套接字类型,可选字节流套接字、数据报套接字等等。
  • protocol:指定使用的协议。

这个 protocol 通常可以设为 0 ,因为由前面两个参数可以推断出所要使用的协议。

比如socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);,表明使用 IPv4 ,且使用字节流套接字,可以判断使用的协议为 TCP 协议。

这个方法的返回值为 int ,其实就是创建的 socket 的 fd。

bind

现在我们已经创建了一个 socket,但现在还没有地址指向这个 socket。

众所周知,服务器应用需要指明 IP 和端口,这样客户端才好找上门来要服务,所以此时我们需要指定一个地址和端口来与这个 socket 绑定一下。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

参数里的 sockfd 就是我们创建的 socket 的文件描述符,执行了 bind 参数之后我们的 socket 距离可以被访问又更近了一步。

listen

执行了 socket、bind 之后,此时的 socket 还处于 closed 的状态,也就是不对外监听的,然后我们需要调用 listen 方法,让 socket 进入被动监听状态,这样的 socket 才能够监听到客户端的连接请求。

int listen(int sockfd, int backlog);

传入创建的 socket 的 fd,并且指明一下 backlog 的大小。

这个 backlog 我查阅资料的时候,看到了三种解释:

  1. socket 有一个队列,同时存放已完成的连接和半连接,backlog为这个队列的大小。
  2. socket 有两个队列,分别为已完成的连接队列和半连接队列,backlog为这个两个队列的大小之和。
  3. socket 有两个队列,分别为已完成的连接队列和半连接队列,backlog仅为已完成的连接队列大小。

解释下什么叫半连接

我们都知道 TCP 建立连接需要三次握手,当接收方收到请求方的建连请求后会返回 ack,此时这个连接在接收方就处于半连接状态,当接收方再收到请求方的 ack 时,这个连接就处于已完成状态:

所以上面讨论的就是这两种状态的连接的存放问题。

我查阅资料看到,基于 BSD 派生的系统的实现是使用的一个队列来同时存放这两种状态的连接, backlog 参数即为这个队列的大小。

而 Linux 则使用两个队列分别存储已完成连接和半连接,且 backlog 仅为已完成连接的队列大小

accept

现在我们已经初始化好监听套接字了,此时会有客户端连上来,然后我们需要处理这些已经完成建连的连接。

从上面的分析我们可以得知,三次握手完成后的连接会被加入到已完成连接队列中去。

这时候,我们就需要从已完成连接队列中拿到连接进行处理,这个拿取动作就由 accpet 来完成。

  1. int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen); 

这个方法返回的 int 值就是拿到的已完成连接的 socket 的文件描述符,之后操作这个 socket 就可以进行通信了。

如果已完成连接队列没有连接可以取,那么调用 accept 的线程会阻塞等待。

至此服务端的通信流程暂告一段落,我们再看看客户端的操作。

connect

客户端也需要创建一个 socket,也就是调用 socket(),这里就不赘述了,我们直接开始建连操作。

客户端需要与服务端建立连接,在 TCP 协议下开始经典的三次握手操作,再看一下上面画的图:

客户端创建完 socket 并调用 connect 之后,连接就处于 SYN_SEND 状态,当收到服务端的 SYN+ACK 之后,连接就变为 ESTABLISHED 状态,此时就代表三次握手完毕。

  1. int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); 

调用connect需要指定远程的地址和端口进行建连,三次握手完毕之后就可以开始通信了。

客户端这边不需要调用 bind 操作,默认会选择源 IP 和随机端口。

用一幅图来小结一下建连的操作:

可以看到这里的两个阻塞点:

  • connect:需要阻塞等待三次握手的完成。
  • accept:需要等待可用的已完成的连接,如果已完成连接队列为空,则被阻塞。

read、write

连接建立成功之后,就能开始发送和接收消息了,我们来看一下

read 为读数据,从服务端来看就是等待客户端的请求,如果客户端不发请求,那么调用 read 会处于阻塞等待状态,没有数据可以读,这个应该很好理解。

write 为写数据,一般而言服务端接受客户端的请求之后,会进行一些逻辑处理,然后再把结果返回给客户端,这个写入也可能会被阻塞。

这里可能有人就会问 read 读不到数据阻塞等待可以理解,write 为什么还要阻塞,有数据不就直接发了吗?

因为我们用的是 TCP 协议,TCP 协议需要保证数据可靠地、有序地传输,并且给予端与端之间的流量控制。

所以说发送不是直接发出去,它有个发送缓冲区,我们需要把数据先拷贝到 TCP 的发送缓冲区,由 TCP 自行控制发送的时间和逻辑,有可能还有重传什么的。

如果我们发的过快,导致接收方处理不过来,那么接收方就会通过 TCP 协议告知:别发了!忙不过来了。发送缓存区是有大小限制的,由于无法发送,还不断调用 write 那么缓存区就满了,满了就不然你 write 了,所以 write 也会发生阻塞。

综上,read 和 write 都会发生阻塞。

最后

为什么网络 I/O 会被阻塞?

因为建连和通信涉及到的 accept、connect、read、write 这几个方法都可能会发生阻塞。

阻塞会占用当前执行的线程,使之不能进行其他操作,并且频繁阻塞唤醒切换上下文也会导致性能的下降。

由于阻塞的缘故,起初的解决的方案就是建立多个线程,但是随着互联网的发展,用户激增,连接数也随着激增,需要建立的线程数也随着一起增加,到后来就产生了 C10K 问题。

服务端顶不住了呀,咋办?

优化呗!

所以后来就弄了个非阻塞套接字,然后 I/O多路复用、信号驱动I/O、异步I/O。

下篇我们就来好好盘盘,这几种 I/O 模型!

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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