实现高性能的异步网络传输

一、前言

应用程序最常使用的 IO 资源,主要包括磁盘 IO 和网络 IO。由于现在的 SSD 的速度越来越快,对于本地磁盘的读写,异步的意义越来越小。所以,使用异步设计的方法来提升 IO 性能,我们更加需要关注的问题是,如何来实现高性能的异步网络传输

二、理想的异步网络框架

大部分语言提供的网络通信基础类库都是同步的。一个 TCP 连接建立后,用户代码会获得一个用于收发数据的通道。每个通道会在内存中开辟两片区域用于收发数据的缓存

发送数据的过程比较简单,我们直接往这个通道里面来写入数据就可以了。用户代码在发送时写入的数据会暂存在缓存中,然后操作系统会通过网卡,把发送缓存中的数据传输到对端的服务器上。只要这个缓存不满,或者说,我们发送数据的速度没有超过网卡传输速度的上限,那这个发送数据的操作耗时,只不过是一次内存写入的时间,这个时间是非常快的。所以,发送数据的时候同步发送就可以了,没有必要异步

比较麻烦的是接收数据。对于数据的接收方来说,它并不知道什么时候会收到数据。那我们能直接想到的方法就是,用一个线程阻塞在那儿等着数据,当有数据到来的时候,操作系统会先把数据写入接收缓存,然后给接收数据的线程发一个通知,线程收到通知后结束等待,开始读取数据。处理完这一批数据后,继续阻塞等待下一批数据到来,这样周而复始地处理收到的数据。


这就是同步网络 IO 的模型。同步网络 IO 模型在处理少量连接的时候,是没有问题的。但是如果要同时处理非常多的连接,同步的网络 IO 模型就有点儿力不从心了。因为,每个连接都需要阻塞一个线程来等待数据,大量的连接数就会需要相同数量的数据接收线程。当这些 TCP 连接都在进行数据收发的时候,会导致有大量的线程来抢占 CPU 时间,造成频繁的 CPU 上下文切换,导致 CPU 的负载升高,整个系统的性能就会比较慢。

我们希望达到的效果,无非就是,只用少量的线程就能处理大量的连接,有数据到来的时候能第一时间处理就可以了。

对于开发者来说,最简单的方式就是,事先定义好收到数据后的处理逻辑,把这个处理逻辑作为一个回调方法,在连接建立前就通过框架提供的 API 设置好。当收到数据的时候,由框架自动来执行这个回调方法就好了。

三、异步网络框架

1、使用 Netty 来实现异步网络通信(java)

真正需要业务代码来实现的就两个部分:一个是把服务初始化并启动起来,还有就是,实现收发消息的业务逻辑 MyHandler。而像线程控制、缓存管理、连接管理这些异步网络 IO 中通用的、比较复杂的问题,Netty 已经自动帮你处理好了。所以,非常多的开源项目使用 Netty 作为其底层的网络 IO 框架,并不是没有原因的。

在这种设计中,Netty 自己维护一组线程来执行数据收发的业务逻辑。如果说,你的业务需要更灵活的实现,自己来维护收发数据的线程,可以选择更加底层的 Java NIO。其实,Netty 也是基于 NIO 来实现的。

2、使用 NIO 来实现异步网络通信(java)

四、总结

传统的同步网络 IO,一般采用的都是一个线程对应一个 Channel 接收数据,很难支持高并发和高吞吐量。这个时候,我们需要使用异步的网络 IO 框架来解决问题。

  • 了解了异步网络传输的原理
  • 用Netty来举例是因为Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序
  • rocketMQ的底层就是用Netty实现的。
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