對(duì)于一個(gè)軟件系統(tǒng)而言，其性能受諸多因素影響，其中與 IO 之間的交互是極為關(guān)鍵的一項(xiàng)。

然而，可能不少程序員認(rèn)為，IO 交互屬于操作系統(tǒng)底層的工作，似乎和上層業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)不大，因而較少關(guān)注 IO 交互的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，這種認(rèn)識(shí)是不太科學(xué)的。

要知道，在對(duì)軟件性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，倘若出現(xiàn)這樣一種奇特的現(xiàn)象：盡管 CPU 使用率尚未達(dá)到 100%，但系統(tǒng)吞吐量卻無法繼續(xù)提高。那么在這個(gè)時(shí)候，極有可能是由于 IO 交互設(shè)計(jì)不佳，致使軟件的眾多業(yè)務(wù)處理線程被阻塞，所以性能難以提升。

由此可見，在軟件設(shè)計(jì)過程中，良好的 IO 交互設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)性能的提升有著至關(guān)重要的作用。

我首先要為您開拓一下思維，讓您知曉在軟件設(shè)計(jì)中可能會(huì)遭遇的各類 IO 場(chǎng)景，進(jìn)而樹立起關(guān)于 IO 交互設(shè)計(jì)的正確認(rèn)識(shí)。

接著，我會(huì)為您講解針對(duì)不同的 IO 場(chǎng)景，應(yīng)當(dāng)如何開展 IO 交互設(shè)計(jì)，以便在軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和性能之間達(dá)成平衡，從而助力您增強(qiáng)在 IO 交互設(shè)計(jì)方面的能力。

那么接下來，就讓我們一同來了解一下，在軟件設(shè)計(jì)里究竟存在哪些 IO 場(chǎng)景吧。

突破對(duì) IO 的片面認(rèn)識(shí)

提到 IO，您首先想到的會(huì)是什么？是鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)嗎？實(shí)際上，在如今的軟件系統(tǒng)中，這些東西已經(jīng)很少被使用了。

一般來講，大多數(shù)程序員所理解的 IO 交互，是文件讀取操作、底層網(wǎng)絡(luò)通信等等。那么在這里，我想問您一個(gè)問題：是不是系統(tǒng)中沒有這些操作，就無需進(jìn)行 IO 交互設(shè)計(jì)了？答案其實(shí)是否定的。

對(duì)于一個(gè)軟件系統(tǒng)來說，除了 CPU 和內(nèi)存，對(duì)其他資源或者服務(wù)的訪問也能被看作是 IO 交互。例如針對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問、REST 請(qǐng)求，以及消息隊(duì)列的使用，都可以視作 IO 交互問題，因?yàn)檫@些軟件服務(wù)都位于不同的服務(wù)器上，直接的信息交互也是通過底層的 IO 設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。

接下來，我將帶您來看一段使用 Java 語言訪問 MongoDB 的代碼實(shí)現(xiàn)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，在軟件開發(fā)中，有許多與 IO 相關(guān)的代碼實(shí)現(xiàn)是比較隱蔽的，不容易被察覺。所以，您應(yīng)當(dāng)對(duì)這些 IO 相關(guān)的問題始終保持警惕，不能讓它們影響軟件的業(yè)務(wù)性能。

這段代碼的業(yè)務(wù)邏輯是在數(shù)據(jù)庫中查詢一條數(shù)據(jù)并返回，具體代碼如下：

// 從數(shù)據(jù)庫查詢一條數(shù)據(jù)。
MongoClient client = new MongoClient("*.*.*.*");
DBCollection collection = mClient.getDB("testDB").getCollection("firstCollection");
BasicDBObject queryObject = new BasicDBObject("name","999");
DBObject obj = collection.findOne(queryObject);  // 查詢操作

其中我們能夠發(fā)現(xiàn)，代碼中的最后一行采用了同步阻塞的交互方式。這意味著，在這段代碼的執(zhí)行過程中，會(huì)將當(dāng)前線程阻塞住，此過程和讀取一個(gè)文件的代碼原理相同。所以，這也是一類十分典型的 IO 業(yè)務(wù)問題。由此可見，我們務(wù)必要突破對(duì)于傳統(tǒng) IO 的那種狹隘理解與認(rèn)識(shí)，運(yùn)用更具全局性、系統(tǒng)性的視角，去認(rèn)識(shí)系統(tǒng)里的各類 IO 場(chǎng)景，這是做好基于 IO 交互設(shè)計(jì)，提升軟件性能的前提條件。

那么說到此，我們具體應(yīng)該怎樣針對(duì)系統(tǒng)中不同的 IO 場(chǎng)景，進(jìn)行交互設(shè)計(jì)并提升系統(tǒng)性能呢？接下來，我就為您詳細(xì)介紹在軟件設(shè)計(jì)中，IO 交互設(shè)計(jì)的不同實(shí)現(xiàn)模式，從而幫助您理解不同的 IO 交互對(duì)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及在性能方面的影響

IO 交互設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

我們了解到，在 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核里，內(nèi)置了 5 種各異的 IO 交互模式，即阻塞 IO、非阻塞 IO、多路復(fù)用 IO、信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO、異步 IO。然而，不同的編程語言和代碼庫，均基于底層 IO 接口重新封裝了一層接口，并且這些接口在使用方面存在諸多差異。

正因如此，致使許多程序員對(duì) IO 交互模型的理解和認(rèn)識(shí)無法統(tǒng)一，進(jìn)而為做好 IO 的交互設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)帶來了較大的阻礙。所以接下來，我將會(huì)從業(yè)務(wù)使用的視角出發(fā)，把 IO 交互設(shè)計(jì)劃分為三種方式，分別是同步阻塞交互方式、同步非阻塞交互方式和異步回調(diào)交互方式，并為您逐一介紹它們的設(shè)計(jì)原理。

我覺得，只要您弄清楚這些 IO 交互設(shè)計(jì)的原理，并且理解它們?cè)诓煌?IO 場(chǎng)景中，怎樣在軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與性能之間做好權(quán)衡，您距離設(shè)計(jì)出高性能的軟件就不遠(yuǎn)了。

另外在此您需要知曉，這三種交互設(shè)計(jì)方式存在層層遞進(jìn)的關(guān)系，越是靠后的方式，在 IO 交互過程中，CPU 介入的開銷可能就越少。當(dāng)然，CPU 介入越少，也就意味著在相同的 CPU 硬件資源上，潛在能夠支撐更多的業(yè)務(wù)處理流程，從而性能就有可能會(huì)更高。

同步阻塞交互方式

首先，讓我們來瞧瞧第一種 IO 交互方式：同步阻塞交互方式。那什么叫做同步阻塞交互方式呢？在 Java 語言里，傳統(tǒng)基于流的讀寫操作方式，實(shí)際上運(yùn)用的就是同步阻塞方式，前面我所介紹的那個(gè) MongoDB 的查詢請(qǐng)求，同樣是同步阻塞的交互方式。也就是說，盡管從開發(fā)人員的角度來看，采用同步阻塞交互方式的程序?qū)儆谕秸{(diào)用，然而在實(shí)際的執(zhí)行進(jìn)程中，程序會(huì)被操作系統(tǒng)掛起并阻塞。接下來，我們看看采用了同步阻塞交互方式的原理示意圖：

圖片

從圖中您能夠看到，在業(yè)務(wù)代碼發(fā)出讀寫請(qǐng)求之后，當(dāng)前的線程或進(jìn)程會(huì)被阻塞，只有等到 IO 處理完畢才會(huì)被喚醒。

所以在這里您或許會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問：使用同步阻塞交互方式，性能是不是就一定會(huì)很差呢？實(shí)際上，并非如此絕對(duì)，因?yàn)椴⒎撬械?IO 訪問場(chǎng)景都屬于性能關(guān)鍵的場(chǎng)景。

我給您舉個(gè)例子，就比如在程序啟動(dòng)過程中加載配置文件的場(chǎng)景，由于軟件在運(yùn)行過程中只會(huì)加載配置文件一次，所以這次的讀取操作并不會(huì)對(duì)軟件的業(yè)務(wù)性能造成影響，如此一來，我們就應(yīng)當(dāng)選擇最為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，即同步阻塞交互方式。

既然這樣，您可能又要問了：倘若系統(tǒng)中存在很多此類 IO 請(qǐng)求操作，那么軟件系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)是什么樣的呢？實(shí)際上，早期的 Java 服務(wù)器端經(jīng)常運(yùn)用 Socket 通信，采用的也是同步阻塞交互方式，其對(duì)應(yīng)的架構(gòu)圖是這樣的：

圖片

可以看到，每個(gè) Socket 都會(huì)單獨(dú)使用一個(gè)線程，在使用 Socket 接口進(jìn)行寫入或讀取數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)對(duì)應(yīng)的線程就會(huì)被阻塞。

那么對(duì)于這樣的架構(gòu)而言，如果系統(tǒng)中的連接數(shù)較少，即便某一個(gè)線程出現(xiàn)了阻塞，還有其他的業(yè)務(wù)線程能夠正常處理請(qǐng)求，所以它的系統(tǒng)性能實(shí)際上并非很差。

不過，當(dāng)下很多基于 Java 開發(fā)的后端服務(wù)，在訪問數(shù)據(jù)庫的時(shí)候?qū)嶋H上也是運(yùn)用同步阻塞的方式，所以就只能采用眾多的線程，分別去處理不同的數(shù)據(jù)庫操作請(qǐng)求。

而要是針對(duì)系統(tǒng)中線程數(shù)眾多的場(chǎng)景，每次訪問數(shù)據(jù)庫都會(huì)引發(fā)阻塞，那么就極易致使系統(tǒng)的性能受到限制。

由此，我們需要考慮采用其他類型的 IO 交互方式，避免因頻繁地進(jìn)行線程間切換而導(dǎo)致 CPU 資源浪費(fèi)，從而進(jìn)一步提升軟件的性能。

所以，同步非阻塞交互模式被提出，其目的就是為了解決這個(gè)問題，下面我們具體來看看它的設(shè)計(jì)原理。

同步非阻塞交互方式

這里，我們先來了解下同步非阻塞交互方式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：在請(qǐng)求 IO 交互的過程中，如果 IO 交互沒有結(jié)束的話，當(dāng)前線程或者進(jìn)程并不會(huì)被阻塞，而是會(huì)去執(zhí)行其他的業(yè)務(wù)代碼，然后等過段時(shí)間再來查詢 IO 交互是否完成。Java 語言在 1.4 版本之后引入的 NIO 交互模式，其實(shí)就屬于同步非阻塞的模式。

那么接下來，我們就通過一個(gè) SocketChannel 在非阻塞模式中讀取數(shù)據(jù)的代碼片段，來具體看看同步非阻塞交互方式的工作原理：

while(selector.select()>0){   //不斷循環(huán)選擇可操作的通道。
for(SelectionKey sk:selector.selectedKeys()){
        selector.selectedKeys().remove(sk);
if(sk.isReadable()){ //是一個(gè)可讀的通道
            SocketChannel sc=(SocketChannel)sk.channel();
            String cnotallow="";
            ByteBuffer buff=ByteBuffer.allocate(1024);
while(sc.read(buff)>0){
                sc.read(buff);
                buff.flip();
                content+=charset.decode(bff);
                }
            System.out.println(content);
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);          
        }
    }
}

您能看到，業(yè)務(wù)代碼中會(huì)持續(xù)不斷地循環(huán)執(zhí)行 selector.select() 操作，挑選出可讀就緒的 SocketChannel，而后再調(diào)用 channel.read，將通道數(shù)據(jù)讀取到 Buffer 中。也就是說，在這段代碼的執(zhí)行過程里，SocketChannel 從網(wǎng)口設(shè)備接收數(shù)據(jù)的期間，不會(huì)長時(shí)間地阻塞當(dāng)前業(yè)務(wù)線程的執(zhí)行，所以能夠進(jìn)一步提升性能。這個(gè) IO 交互方式對(duì)應(yīng)的原理圖如下：

圖片

從圖中您能看到，當(dāng)前的業(yè)務(wù)線程雖然避免了長時(shí)間被阻塞掛起，然而在業(yè)務(wù)線程里，會(huì)頻繁地調(diào)用 selector.select 接口來查詢狀態(tài)。這意味著，在單 IO 通道的場(chǎng)景下，運(yùn)用這種同步非阻塞交互方式，性能的提升實(shí)際上是非常有限的。

不過，與同步阻塞交互方式恰好相反，當(dāng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中同時(shí)存在眾多的 IO 交互通道時(shí)，使用同步非阻塞交互方式，我們能夠復(fù)用一個(gè)線程，來查詢可讀就緒的通道，如此便能夠大大降低由 IO 交互引起的頻繁切換線程的開銷。

因此，在軟件設(shè)計(jì)的過程中，如果您發(fā)現(xiàn)核心業(yè)務(wù)邏輯也存在多 IO 交互的問題，您就能夠基于這種 IO 同步非阻塞交互方式，來支撐產(chǎn)品的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。在采用這種 IO 交互設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)多個(gè) IO 交互時(shí)，它的軟件架構(gòu)如下圖所示：

圖片

如果您仔細(xì)閱讀了前面 SocketChannel 在非阻塞模式中讀取數(shù)據(jù)的代碼片段，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)圖中包含了三個(gè)頗為熟悉的概念，分別是 Buffer、Channel、Selector，它們正是 Java NIO 的核心。在此我也為您簡(jiǎn)單介紹一下：Buffer 是一個(gè)用于緩存讀取和寫入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；Channel 是一個(gè)負(fù)責(zé)在后臺(tái)對(duì)接 IO 數(shù)據(jù)的通道；而 Selector 所實(shí)現(xiàn)的主要功能，便是主動(dòng)查詢哪些通道處于就緒狀態(tài)。所以，Java NIO 正是基于這個(gè) IO 交互模型，支撐業(yè)務(wù)代碼實(shí)現(xiàn)針對(duì) IO 的同步非阻塞設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低了原來傳統(tǒng)的同步阻塞 IO 交互過程中，線程頻繁被阻塞和切換的開銷。

不過，基于同步非阻塞方式的 IO 交互設(shè)計(jì)，倘若在并發(fā)設(shè)計(jì)中，未能平衡好 IO 狀態(tài)查詢與業(yè)務(wù)處理 CPU 執(zhí)行開銷的管理，就極易致使軟件執(zhí)行期間存在大量的 IO 狀態(tài)冗余查詢，進(jìn)而造成對(duì) CPU 資源的浪費(fèi)。

因此，我們?nèi)孕鑿臉I(yè)務(wù)角度的 IO 交互設(shè)計(jì)著手，進(jìn)一步降低 IO 給 CPU 帶來的額外開銷，而這正是接下來我要為您介紹的異步回調(diào)交互方式的重要優(yōu)勢(shì)。

異步回調(diào)交互方式

所謂異步回調(diào)，其含義為，當(dāng)業(yè)務(wù)代碼觸發(fā) IO 接口調(diào)用之后，當(dāng)前的線程會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的處理流程，而后等到 IO 處理結(jié)束，再通過回調(diào)函數(shù)來執(zhí)行 IO 結(jié)束后的代碼邏輯。

這里我們同樣來看一段代碼示例，這是 Java 語言針對(duì) MongoDB 的插入操作，其采用的便是異步回調(diào)的實(shí)現(xiàn)方式：

Document doc = new Document("name", "Geek")
               .append("info", new Document("age", 203).append("sex", "male"));


collection.insertOne(doc, new SingleResultCallback<Void>() { 
@Override
public void onResult(final Void result, final Throwable t) {
        System.out.println("Inserted success");
    }
});

我們能夠發(fā)現(xiàn)，在這段代碼里，調(diào)用 collection.insertOne 進(jìn)行插入數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)傳入了回調(diào)函數(shù)。實(shí)際上，這個(gè) MongoDB 訪問接口在底層運(yùn)用的是 Netty 框架，只是重新封裝了接口的使用方法罷了。由此，我們能夠最大程度地降低 IO 交互過程中 CPU 參與的開銷。這種 IO 交互方式的原理圖如下所示：

圖片

從這個(gè)圖中能夠看到，在運(yùn)用異步回調(diào)這種處理方式時(shí)，回調(diào)函數(shù)常常會(huì)被掛載到另外一個(gè)線程中去執(zhí)行。所以采用這種方式存在一個(gè)好處，即業(yè)務(wù)邏輯無需頻繁地查詢數(shù)據(jù)，但與此同時(shí)，它也會(huì)引入一個(gè)新的問題，那便是回調(diào)處理函數(shù)與正常的業(yè)務(wù)代碼被割裂開來，這會(huì)給代碼的實(shí)現(xiàn)增添許多的復(fù)雜度。

我給您舉個(gè)例子，如果代碼中的回調(diào)函數(shù)在處理過程中，還需要進(jìn)一步執(zhí)行其他 IO 請(qǐng)求，倘若再使用回調(diào)機(jī)制，那么就會(huì)出現(xiàn)可惡的回調(diào)嵌套問題，也就是回調(diào)函數(shù)中再嵌套一個(gè)回調(diào)函數(shù)，如此一直嵌套下去，代碼就會(huì)變得難以閱讀和維護(hù)。

所以后來，在 Node.js 中引入了 async 和 await 機(jī)制（在 C++、Rust 中，也都引入了類似的機(jī)制），較好地解決了這個(gè)問題。我們使用這個(gè)機(jī)制，可以將背后的回調(diào)函數(shù)機(jī)制封裝到語言內(nèi)部的底層實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，這樣我們依然能夠使用串行思維模式來處理 IO 交互。

而且，當(dāng)具備這種機(jī)制之后，IO 交互方式對(duì)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)的影響就相對(duì)較少了，所以像 Node.js 這樣的單進(jìn)程模型也能夠處理數(shù)量眾多的 IO 請(qǐng)求。

另外，使用異步回調(diào)交互方式還有一個(gè)好處，因?yàn)樵诋?dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，對(duì)于數(shù)據(jù)庫、消息隊(duì)列、REST 請(qǐng)求的使用是非常頻繁的，所以如果您采用異步回調(diào)方式，就比較有可能將 IO 阻塞引發(fā)的線程切換開銷，以及頻繁查詢 IO 狀態(tài)的時(shí)間開銷，都降低到一個(gè)較低的狀態(tài)。

最后我還想要告訴您的是，實(shí)際上，IO 交互設(shè)計(jì)不僅與語言系統(tǒng)的并發(fā)設(shè)計(jì)有著很大的關(guān)聯(lián)，而且與緩沖區(qū)（Buffer）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)關(guān)系也十分緊密，我們?cè)谶M(jìn)行 IO 交互設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際上需要權(quán)衡眾多因素，這是一項(xiàng)頗為復(fù)雜的工作，我們絕對(duì)不能輕視它。