從read 系統調用到 C10M 問題

来源:https://www.cnblogs.com/darcy-yuan/archive/2023/08/06/17603735.html
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一.前言 從上個世紀到現在，工程師們在優化伺服器性能的過程中，提出了各種不同的io模型，比如非阻塞io，io復用，信號驅動式io，非同步io。具體io模型在不同平臺上的實現也不一樣，比如io復用在bsd上可以由kqueue實現，在solaris系統上可以由/dev/poll實現。為了實現系統的可移植性 ...


一.前言

從上個世紀到現在，工程師們在優化伺服器性能的過程中，提出了各種不同的io模型，比如非阻塞io，io復用，信號驅動式io，非同步io。具體io模型在不同平臺上的實現也不一樣，比如io復用在bsd上可以由kqueue實現，在solaris系統上可以由/dev/poll實現。為了實現系統的可移植性，POSIX 確保 select和poll在 unix-like系統上得到廣泛的支持。

在上個世紀，Dan Kegel 提出了C10K的設想，現在C10K 已經不是什麼問題，比如nginx就可以做到百萬級別的qps。於是又有人提出來了C10M的設想，Robert David Graham 從unix的最初設計初衷給出了自己的解決方案。

二.常見io模型

1.阻塞io

常見的read系統調用，是最常見的阻塞io：

2.非阻塞式io

非阻塞io的典型使用方式如下，設置非阻塞標誌，並且常與io復用一起使用，使用起來比較複雜。

val = Fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
Fcntl(sockfd, F_SETFL, val | O_NONBLOCK); /* O_NONBLOCK 標誌非阻塞 */

 

3.io 復用 （select/poll）

io復用在處理數量龐大的fd時非常有效，我們以select為例，select的核心api是select函數:

int select(int nfds, fd_set *_Nullable restrict readfds,
                  fd_set *_Nullable restrict writefds,
                  fd_set *_Nullable restrict exceptfds,
                  struct timeval *_Nullable restrict timeout);

看一個例子:

#include	"unp.h"

void
str_cli(FILE *fp, int sockfd)
{
	int			maxfdp1;
	fd_set		rset;
	char		sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];

	FD_ZERO(&rset);
	for ( ; ; ) {
		FD_SET(fileno(fp), &rset); /* 設置要監聽的socket fd */
		FD_SET(sockfd, &rset); /* 設置要監聽的file fd */
		maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1;
		Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL); /* select 調用 */

		if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {	/* socket 可讀 */
			if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0)
				err_quit("str_cli: server terminated prematurely");
			Fputs(recvline, stdout);
		}

		if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input 可讀 */
			if (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL)
				return;		/* all done */
			Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline));
		}
	}
}

 

4.信號驅動式io

但凡涉及到信號的程式都比較複雜。要使用信號驅動式io，先開啟socket的信號驅動式io功能，並通過sigaction 系統調用安裝一個信號處理函數:

void
dg_echo(int sockfd_arg, SA *pcliaddr, socklen_t clilen_arg)
{
	int			i;
	const int	on = 1;
	sigset_t	zeromask, newmask, oldmask;

	sockfd = sockfd_arg;
	clilen = clilen_arg;

	for (i = 0; i < QSIZE; i++) {	/* init queue of buffers */
		dg[i].dg_data = Malloc(MAXDG);
		dg[i].dg_sa = Malloc(clilen);
		dg[i].dg_salen = clilen;
	}
	iget = iput = nqueue = 0;

	Signal(SIGHUP, sig_hup); /* 安裝信號處理函數 */
	Signal(SIGIO, sig_io);
	Fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid()); /* 設置屬主 */
	Ioctl(sockfd, FIOASYNC, &on); /* 開啟信號驅動式io */
	Ioctl(sockfd, FIONBIO, &on); /* non-bloking */

	Sigemptyset(&zeromask);		/* init three signal sets */
	Sigemptyset(&oldmask);
	Sigemptyset(&newmask);
	Sigaddset(&newmask, SIGIO);	/* signal we want to block */

	Sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
	for ( ; ; ) {
		while (nqueue == 0)
			sigsuspend(&zeromask);	/* wait for datagram to process */

			/* 4unblock SIGIO */
		Sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);

		Sendto(sockfd, dg[iget].dg_data, dg[iget].dg_len, 0,
			   dg[iget].dg_sa, dg[iget].dg_salen);

		if (++iget >= QSIZE)
			iget = 0;

			/* 4block SIGIO */
		Sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask);
		nqueue--;
	}
}

 

5.非同步io

我們來看一個aio的例子(由於aio的例子過於複雜，我們這裡只截取部分關鍵代碼)：

for (i = 0; i < NBUF; i++) {
    switch (bufs[i].op) {
        case UNUSED:
            /*
				 * Read from the input file if more data
				 * remains unread.
				 */
            if (off < sbuf.st_size) {
                bufs[i].op = READ_PENDING;
                bufs[i].aiocb.aio_fildes = ifd;
                bufs[i].aiocb.aio_offset = off;
                off += BSZ;
                if (off >= sbuf.st_size)
                    bufs[i].last = 1;
                bufs[i].aiocb.aio_nbytes = BSZ;
                if (aio_read(&bufs[i].aiocb) < 0) /* aio_read */
                    err_sys("aio_read failed");
                aiolist[i] = &bufs[i].aiocb;
                numop++;
            }
            break;

        case READ_PENDING:
            if ((err = aio_error(&bufs[i].aiocb)) == EINPROGRESS) /* aio_error */
                continue;
            if (err != 0) {
                if (err == -1)
                    err_sys("aio_error failed");
                else
                    err_exit(err, "read failed");
            }

            /*
				 * A read is complete; translate the buffer
				 * and write it.
				 */
            if ((n = aio_return(&bufs[i].aiocb)) < 0) /* 調用aio_return成功則 說明數據已經返回 */
                err_sys("aio_return failed");
            if (n != BSZ && !bufs[i].last)
                err_quit("short read (%d/%d)", n, BSZ);
            for (j = 0; j < n; j++)
                bufs[i].data[j] = translate(bufs[i].data[j]);
            bufs[i].op = WRITE_PENDING;
            bufs[i].aiocb.aio_fildes = ofd;
            bufs[i].aiocb.aio_nbytes = n;
            if (aio_write(&bufs[i].aiocb) < 0) /* aio_write */
                err_sys("aio_write failed");
            /* retain our spot in aiolist */
            break;

        case WRITE_PENDING:
            if ((err = aio_error(&bufs[i].aiocb)) == EINPROGRESS) /* aio_error */
                continue;
            if (err != 0) {
                if (err == -1)
                    err_sys("aio_error failed");
                else
                    err_exit(err, "write failed");
            }

            /*
				 * A write is complete; mark the buffer as unused.
				 */
            if ((n = aio_return(&bufs[i].aiocb)) < 0)
                err_sys("aio_return failed");
            if (n != bufs[i].aiocb.aio_nbytes)
                err_quit("short write (%d/%d)", n, BSZ);
            aiolist[i] = NULL;
            bufs[i].op = UNUSED;
            numop--;
            break;
    }
}

 

6.同步和非同步的分類

網路上對io同步和非同步的爭論很多，這裡給出Stevens的分類標準： 

同步 阻塞io，非阻塞io，io復用，信號驅動式io
非同步 非同步io

 

三.C10K io策略

在上個世紀，Dan Kegel 提出了C10K的設想，即單機實現10k的併發量，主要提出了以下四種類型的解決方法：

伺服器範式 例子 備註 軟體實現
Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O（level-triggered） select, poll(posix), /dev/poll(solaris), kqueue(bsd) 輪詢  
Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O (readiness change) kqueue(bsd), epoll(linux), Realtime Signals(linux) 事件通知 nginx, redis
Serve many clients with each server thread, and use asynchronous I/O aio 非同步，沒有得到廣泛支持  
Serve one client with each server thread

LinuxThreads, Java threading support in JDK 1.3.x and earlier 

早期的java使用綠色線程

  
  • 在實現的過程中有諸多限制，比如打開fd的限制，創建thread數量的限制，根據不同內核而異。
  • 32 位系統，用戶態的虛擬空間只有3G，如果創建線程時分配的棧空間是10M，那麼一個進程最多只能創建300 個左右的線程。 64 位系統，用戶態的虛擬空間大到有128T，理論上不會受虛擬記憶體大小的限制（10M個線程），而會受系統的參數或性能限制（線程上下文切換）。

四.C10M

Robert David Graham認為如果要解決C10M的問題，必須對unix內核進行改造。當下的unix系統的設計目標是為了滿足非常廣泛的需求，於是加上了許多通用的功能，比如進程管理，記憶體管理等等。C10M的問題不是通用的問題，需要自己處理數據控制，而不是依賴unix內核，而且需要做到packet scalability, multi-core scalability, memory scalability。

專項問題，需要特殊的解決方案。

五.總結

本文從常見io模型出發，梳理了高併發伺服器可能涉及到的io模型，這些經典io模型在過去十年基本沒有發生變化。瞭解這些底層技術對我們瞭解深入理解伺服器是非常有必要的。

六.參考

《unix網路編程》

http://www.kegel.com/c10k.html#threads.java

http://highscalability.com/blog/2013/5/13/the-secret-to-10-million-concurrent-connections-the-kernel-i.html 

https://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          


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