通常我們寫一個linux的client和server如下圖：

但是怎么提升性能?系統(tǒng)是如何快速處理網(wǎng)絡事件?因此本文就來談談IO復用和模式。

第一部分：模式

我們都知道socket分為阻塞和非阻塞，阻塞情況就是卡住流程，必須等事件發(fā)生;而非阻塞是立即返回，不管事件是否有沒有準備好，需要上層代碼通過EAGAIN，EWOULDBLOCK和EINPROGRESS等errno返回值來判斷，基于非阻塞有兩種網(wǎng)絡編程模式：Reactor和Proactor事件處理。

1、Reactor

同步IO模型一般使用Reactor，如果使用線程模式，Reactor是遇到事件就通知工作線程處理，然后主線程繼續(xù)循環(huán)等待事件的發(fā)生：

reactor

(1)對于網(wǎng)絡讀寫，先將socket注冊到epoll內(nèi)核事件表中;

(2)使用epoll_wait等待句柄的讀寫事件;

(3)當句柄的可讀可寫事件發(fā)生，通知工作線程執(zhí)行對應的讀寫動作;

(4)當工作線程處理完讀寫動作，如果還有后續(xù)讀寫，工作線程可以將句柄繼續(xù)注冊到epoll內(nèi)核事件表中;

(5)主線程繼續(xù)用epoll_wait等待事件發(fā)生，然后繼續(xù)告知工作線程處理;

2、Proactor

在講Proactor之前我們先說說一個例子：

...
#include <libaio.h>

int main() {
    io_context_t context;
    struct iocb io[1], *p[1] = {&io[0]};
    struct io_event e[1];
    ...

    // 1. 打開要進行異步IO的文件
    int fd = open("xxx", O_CREAT|O_RDWR|O_DIRECT, 0644);
    if (fd < 0) {
        printf("open error: %d\n", errno);
        return 0;
    }

    // 2. 創(chuàng)建一個異步IO上下文
    if (0 != io_setup(nr_events, &context)) {  
        printf("io_setup error: %d\n", errno);
        return 0;
    }

     // 3. 創(chuàng)建一個異步IO任務
    io_prep_pwrite(&io[0], fd, wbuf, wbuflen, 0); 

    // 4. 提交異步IO任務
    if ((ret = io_submit(context, 1, p)) != 1) {
        printf("io_submit error: %d\n", ret);
        io_destroy(context);
        return -1;
    }

    while (1) {
        // 5. 獲取異步IO的結(jié)果
        ret = io_getevents(context, 1, 1, e, &timeout);
        if (ret < 0) {
            printf("io_getevents error: %d\n", ret);
            break;
        }
        ...
    }
    ...
}

以上就是linux的aio處理一個讀寫文件的流程，可以看到整個流程不需要工作線程處理，而是由內(nèi)核直接處理后，主線程只需要等待處理結(jié)果即可。

proactor

3、Half-Reactor

前面提到Reactor大家從圖中看出，都是主線程等待事件，分發(fā)事件，然后工作線程爭搶事件后處理，這里會有幾個缺點：

(1)工作線程需要加鎖取出自己的工作任務，浪費CPU;

(2)工作線程取出隊列一次只能處理一個，對于CPU密集型的任務可以跑滿CPU，但是如果是IO密集型任務，這個工作線程又會切換到休眠或者等待其他任務，不能充分利用CPU;

為了解決以上缺點，于是提出了Half-Reactor半反應堆模式：

Half-Reactor

第二部分：IO復用

在開發(fā)一些業(yè)務面前，我們可能會面對C10K，C100K或者C10M等問題，只是靠堆服務器可能不能完全解決，所以我們就需要從IO復用來處理服務的并發(fā)能力，這里我們就直接講epoll(對于select，poll和epoll的大概區(qū)別應該都知道了，所以就不詳細說了，如果有疑問可以留言給我)，同時找了一張libevent的幾個事件處理性能對比：

libevent

1、epoll的使用

#include <sys/epoll.h>

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

(1)epoll_create創(chuàng)建一個內(nèi)核事件表，size可以指定大小，但是并沒有作用;

(2)epoll_ctl操作事件，epfd就是epoll事件表，op指定操作類型(EPOLL_CTL_ADD往事件表添加fd，EPOLL_CTL_MOD往事件表修改fd，EPOLL_CTL_DEL往事件表刪除fd);

(3)struct epoll_event其結(jié)構(gòu)體：

sturct epoll_event{ _uint32_t events; // EPOLLIN(數(shù)據(jù)可讀)，EPOLLOUT(數(shù)據(jù)可寫)... epoll_data_t data; // 用于存儲用戶監(jiān)聽事件句柄需要在上下文攜帶的用戶數(shù)據(jù)}

(4)epoll_wait等待事件發(fā)生，events返回發(fā)生事件的列表，timeout等待一定的超時時間，如果沒有事件發(fā)生依舊返回，maxevents最多一次監(jiān)聽集合的大小;

2、LT和ET

(1)LT是epoll對文件操作符的模式，表示電平觸發(fā)(Level Trigger)，當epoll_wait監(jiān)聽了事件，上層可以不處理該事件，下一次epoll_wait依舊會觸發(fā);

(2)ET是epoll對文件描述符的高效模式，表示邊緣觸發(fā)(Edge Trigger)，當epoll_wait監(jiān)聽了事件，如果不處理下一次不會再觸發(fā)，需要應用層一次就處理完，這樣可以減少觸發(fā)的次數(shù)，從而提升性能。

所以要注意對于read使用將套接口設置為非阻塞，再用while循環(huán)包住read一直讀到產(chǎn)生EAGAIN錯誤，采用非阻塞套接口的原因在于防止read被阻塞住。

3、樣例

詳細代碼由于篇幅原因，就不寫了，大概流程如下：

...
listen_fd = bind(...);
 
listen(listen_fd, LISTENQ);
 
int epoll_fd;
struct epoll_event events[10];
int nfds, i, fd;
...

// 創(chuàng)建一個描述符
epoll_fd = epoll_create(...);
// 添加監(jiān)聽描述符事件
epoll_ctl(epoll_fd, ... listen_fd, ... EPOLLIN);

for ( ; ; )
{
    nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, sizeof(events)/sizeof(events[0]), 1000);
    
    for (i = 0; i < nfds; i++)
    {
        fd = events[i].data.fd;
        if (fd == listen_fd)
        {
            // 創(chuàng)建新連接
            ...
        }
        else if (events[i].events & EPOLLIN)
        {
            // 讀取socket數(shù)據(jù)
            ....
        }
        else if(events[i].events & EPOLLOUT)
        {
            // 寫入socket數(shù)據(jù)
            ...
        }
    }
}

close(epoll_fd);

4、epoll的實現(xiàn)

epoll底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是紅黑樹和鏈表組成，通過epoll_ctrl增加、減少事件，其中epoll結(jié)構(gòu)體如下：

struct eventpoll
{
    wait_queue_head_t wq;
    struct list_head rdlist;
    struct rb_root rbr;
    ...
}

epoll

(1)wq是等待隊列，用于epoll_wait;

(2)rdlist是就緒隊列，當有事件觸發(fā)時候，內(nèi)核會將句柄等信息放入rdlist，方便快速獲取，不需要遍歷紅黑樹;

(3)rbr是一顆紅黑樹，支持增加，刪除和查找，管理用戶添加的socket信息;

第三部分：提升網(wǎng)絡編程中服務器性能的建議

在網(wǎng)絡編程中我們會遇到各種各樣的處理任務，比如純轉(zhuǎn)發(fā)的proxy，需要處理https的server，需要處理任務的業(yè)務邏輯server等等，而且在微服務時代和云原生時代可能這些問題更加復雜，比如我們需要在server前加上斷路器，在容器服務中我們都適用多線程模式等等。雖然面臨很多問題，但是網(wǎng)絡編程中服務器性能還是最基礎的那些問題，于是基于我的一些經(jīng)驗，我整理了一些。

1、復用

(1)線程復用 ：前面提到的工作線程，我們不應該對于每個客戶端都開一個線程，而是構(gòu)建一個線程pool，當某些線程空閑就可以從隊列中取事件或者數(shù)據(jù)進行處理，畢竟linux中的線程和進程調(diào)度方式一樣，線程太多必然加劇內(nèi)核的負載;

(2)內(nèi)存復用 ：在網(wǎng)絡狀態(tài)流轉(zhuǎn)和工作線程流轉(zhuǎn)過程中，我們需要盡可能考慮內(nèi)存復用，而不是在每一層中都拷貝，比如一個請求從內(nèi)核讀到數(shù)據(jù)以后，盡可能在當前請求的什么周期內(nèi)，一直使用相同的內(nèi)存塊(包括在業(yè)務層，盡量使用指針偏移量操作)，減少拷貝;

當然減少內(nèi)存拷貝以外，還需要做的就是同一塊內(nèi)存用完不是讓系統(tǒng)回收，而是自己放到內(nèi)存pool中，等待下一次請求需要再復用;

2、減少內(nèi)存拷貝

這里上一篇文章提到的零拷貝，就是減少內(nèi)存拷貝的一種方式，比如在文件讀寫方面能提升性能(可以參考nginx的sendfile)，另一種可以使用共享內(nèi)存，通過一寫多讀的方式解決一些場景下的內(nèi)存拷貝;

3、減少上下文切換和競爭

上下文切換是阻礙性能提升的一個問題，比如頻繁的事件觸發(fā)會導致主線程和工作線程之間切換，其CPU時間會被浪費;小量的數(shù)據(jù)包多次觸發(fā)讀處理等。因此我們在寫server過程中對于能在同一個上下文處理的，就不必要再丟該其他線程處理，對于多個小塊數(shù)據(jù)可以等待一段超時時間一起處理(當然具體問題可以分析);

競爭也是阻礙性能提升的一個問題，掙搶共享資源會一段CPU時間片內(nèi)阻塞操作，減少鎖的使用或者將鎖拆分更加細粒度的鎖，減少鎖住臨界區(qū)的范圍，是我們需要注意的;

4、利用CPU親和性

這里以nginx為例，提供了一個worker_cpu_affinity，cpu的親和性能使nginx對于不同的work工作進程綁定到不同的cpu上面去。就能夠減少在work間不斷切換cpu，進程通常不會在處理器之間頻繁遷移，進程遷移的頻率小，來減少性能損耗。

這種可以參考CPU性能提升方式，比如在NUMA下，處理器訪問它自己的本地存儲器的速度比非本地存儲器(存儲器的地方到另一個處理器之間共享的處理器或存儲器)快一些，所以針對NUMA架構(gòu)系統(tǒng)的特點，可以通過將進程/線程綁定指定CPU(一個或多個)的方式，提高CPU CACHE的命中率，減少進程/線程遷移CPU造成的內(nèi)存訪問的時間消耗，從而提高程序的運行效率。

5、協(xié)程

協(xié)程是一種用戶態(tài)線程，在現(xiàn)在主流的server框架，協(xié)程已經(jīng)成為一個提升性能的銀彈(比如golang寫server又快又方便)，后續(xù)文章會專門介紹協(xié)程(在此埋一個坑)，但是協(xié)程也不是萬能的，需要定位本身業(yè)務特點，比如IO密集型就適合(當然這里也需要情況而定，比如純轉(zhuǎn)發(fā)類型的面對長尾延時，可能協(xié)程也不合適)，CPU密集型自己調(diào)度協(xié)程還是比較麻煩的，所以在做優(yōu)化的適合可以拷貝業(yè)務的特性和后續(xù)的擴展而定，畢竟沒有一個框架是萬能的。