linux内核分析及应用 -- 输入输出（下）

╰半夏微凉° 2021-12-12 06:17 297阅读 0赞

# 5.5　Redis 对 epoll 的封装 #

Redis 的作者和 Nginx 的作者一样，不喜欢引入第三方的库，比如 libevent、libev 来做事件处理，而是自己封装了 epoll，不像 Memcachd 的 I/O 模型还得依赖 libevent。Redis 的 I/O 模型针对不同系统做了不同的实现，比如 Linux 中的实现是对 epoll 的封装，BSD 中的实现是对 kqueue 的封装。针对 Linux 的实现，我们来看其核心的 ae\_epoll.c：

aeApiState 封装了 epoll\_event：

typedef struct aeApiState {
        int epfd;
        struct epoll_event *events;
    } aeApiState;

aeApiCreate 用于调用 epoll\_create 创建 epoll：

static int aeApiCreate(aeEventLoop *eventLoop) {
        aeApiState *state = zmalloc(sizeof(aeApiState));
        …
        state->epfd = epoll_create(1024); // 1024是内核设置的默认值
     …
    }

aeApiAddEvent 用于向 epoll 中注册事件：

static int aeApiAddEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int mask) {
        aeApiState *state = eventLoop->apidata;
        struct epoll_event ee;
        …
        ee.data.fd = fd;
        if (epoll_ctl(state->epfd,op,fd,&ee) == -1) return -1;
        return 0;
    }

aeApiDelEvent 用于从 epoll 中删除事件：

static void aeApiDelEvent(aeEventLoop *eventLoop, int fd, int delmask) {
        aeApiState *state = eventLoop->apidata;
        struct epoll_event ee;
        int mask = eventLoop->events[fd].mask & (~delmask);
        ee.events = 0;
        if (mask & AE_READABLE) ee.events |= EPOLLIN;
        if (mask & AE_WRITABLE) ee.events |= EPOLLOUT;
        ee.data.u64 = 0; /* avoid valgrind warning */
        ee.data.fd = fd;
        if (mask != AE_NONE) {
            epoll_ctl(state->epfd,EPOLL_CTL_MOD,fd,&ee);
        } else {
            // 注意, Kernel < 2.6.9 EPOLL_CTL_DEL 需要一个非空的事件指针
            epoll_ctl(state->epfd,EPOLL_CTL_DEL,fd,&ee);
        }
    }

aeApiPoll 通过调用 epoll\_wait 等待 epoll 事件就绪：

static int aeApiPoll(aeEventLoop *eventLoop, struct timeval *tvp) {
        aeApiState *state = eventLoop->apidata;
        int retval, numevents = 0;
        retval = epoll_wait(state->epfd,state->events,eventLoop->setsize,
                tvp ? (tvp->tv_sec*1000 + tvp->tv_usec/1000) : -1);
        if (retval > 0) {
            int j;
            numevents = retval;
            for (j = 0; j < numevents; j++) {
                int mask = 0;
                struct epoll_event *e = state->events+j;
                if (e->events & EPOLLIN) mask |= AE_READABLE;
                if (e->events & EPOLLOUT) mask |= AE_WRITABLE;
                if (e->events & EPOLLERR) mask |= AE_WRITABLE;
                if (e->events & EPOLLHUP) mask |= AE_WRITABLE;
                eventLoop->fired[j].fd = e->data.fd;
                eventLoop->fired[j].mask = mask;
            }
        }
        return numevents;
    }

其中：

>  *  aeApiCreate：调用 epoll\_create 创建了一个 epoll 池子。
>  *  aeApiAddEvent：调用 epoll\_ctl 向 epoll 中注册事件。
>  *  aeApiPoll：通过调用 epoll\_wait 来获取已经响应的事件。

那么这个过程是如何呢？我们来一步一步看 server epoll 初始化过程：

首先在 initServer 函数执行的时候初始化了 epoll：

server.el = aeCreateEventLoop(server.maxclients+REDIS_EVENTLOOP_FDSET_INCR);

接着设置回调函数：

aeSetBeforeSleepProc(server.el,beforeSleep);

再来看主循环中的 aeMain 函数：

void aeMain(aeEventLoop *eventLoop) {
    
      eventLoop->stop = 0;
      while (!eventLoop->stop) {
          if (eventLoop->beforesleep != NULL)
              eventLoop->beforesleep(eventLoop);
          aeProcessEvents(eventLoop, AE_ALL_EVENTS);
      }
    }

最后循环调用 aeProcessEvents 来进行事件处理（见图5-10）。

[![format_png][]][format_png 1]

图5-10　Redis epoll 主循和事件的关系

可以看到 eventLoop 会对两类事件进行处理，定时器事件和 file 事件。

最后我们来看 aeProcessEvents 函数：

int aeProcessEvents(aeEventLoop *eventLoop, int flags)
    {
        int processed = 0, numevents;
        …
            aeTimeEvent *shortest = NULL;
            struct timeval tv, *tvp;
            if (flags & AE_TIME_EVENTS && !(flags & AE_DONT_WAIT))
                shortest = aeSearchNearestTimer(eventLoop);
            if (shortest) {
                long now_sec, now_ms;
                aeGetTime(&now_sec, &now_ms);
                tvp = &tv;
                tvp->tv_sec = shortest->when_sec - now_sec;
                if (shortest->when_ms < now_ms) {
                    tvp->tv_usec = ((shortest->when_ms+1000) - now_ms)*1000;
                    tvp->tv_sec --;
                } else {
                    tvp->tv_usec = (shortest->when_ms - now_ms)*1000;
                }
                if (tvp->tv_sec < 0) tvp->tv_sec = 0;
                if (tvp->tv_usec < 0) tvp->tv_usec = 0;
            } else {
                // AE_DONT_WAIT 标志置位，则设置超时时间为0
                if (flags & AE_DONT_WAIT) {
                    tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
                    tvp = &tv;
                } else {
                    // 否则会发生阻塞
                    tvp = NULL;         // 一直等待
                }
            }
    
            numevents = aeApiPoll(eventLoop, tvp);
            for (j = 0; j < numevents; j++) {
                aeFileEvent *fe = &eventLoop->events[eventLoop->fired[j].fd];
                int mask = eventLoop->fired[j].mask;
                int fd = eventLoop->fired[j].fd;
                int rfired = 0;
                if (fe->mask & mask & AE_READABLE) {
                    rfired = 1;
                    fe->rfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
                }
                if (fe->mask & mask & AE_WRITABLE) {
                    if (!rfired || fe->wfileProc != fe->rfileProc)
                        fe->wfileProc(eventLoop,fd,fe->clientData,mask);
                }
                processed++;
            }
        }
        if (flags & AE_TIME_EVENTS)
            processed += processTimeEvents(eventLoop);
        return processed;                 // 返回需要处理的 file/time 事件数量
    }

这个函数大致上分为以下几个步骤：

1）aeSearchNearestTimer 查找是否有要优先处理的定时器任务，如果有就先处理。

2）假如没有，则执行 aeApiPoll 来处理 epoll 中的就绪事件，而且是无限等待的哦：

if (flags & AE_DONT_WAIT) {
            tv.tv_sec = tv.tv_usec = 0;
            tvp = &tv;
        } else {
            tvp = NULL;
        }

3）处理定时器任务。

最后我们来看一下 Redis 的整体事件处理流程（见图5-11），由于 Redis 本身是单线程的，没有锁的竞争，为了提高处理的吞吐量，Redis 把工作的流程拆成了很多步，每步都是通过 epoll 的机制来回调，这样尽量不让一个请求 hold 住主线程，让系统的吞吐量得到有效的提升。

[![format_png 2][]][format_png 1]

图5-11　Redis 的整体事件处理流程图

### 5.6　Nginx 文件异步 I/O ###

为了提升对 I/O 事件的及时响应速度，Linux 提供了 aio 机制，该机制实现了真正的异步 I/O 响应处理，不像 libc 的 aio 是异步线程伪装的。

因为 Linux 的 aio 对缓存不支持，所以在 Nginx 中，仅仅对读文件做了 aio 的支持。

aio 的使用可以分为以下几个步骤：

1）io\_setup：初始化异步 I/O 上下文，类似于 epoll\_create。

2）io\_submit：注册异步事件和回调 handler。

ngx\_epoll\_module 在初始化的时候，会先进行 aio 的初始化：

ngx_epoll_aio_init(ngx_cycle_t *cycle, ngx_epoll_conf_t *epcf)
    {
        int                    n;
        struct epoll_event  ee;
    
    #if (NGX_HAVE_SYS_EVENTFD_H)
        ngx_eventfd = eventfd(0, 0);
    #else
        ngx_eventfd = syscall(SYS_eventfd, 0);
    #endif
    …
        n = 1;
    
        if (ioctl(ngx_eventfd, FIONBIO, &n) == -1) {
            ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, cycle->log, ngx_errno,
                          "ioctl(eventfd, FIONBIO) failed");
            goto failed;
        }
    
        if (io_setup(epcf->aio_requests, &ngx_aio_ctx) == -1) {
            ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, cycle->log, ngx_errno,
                          "io_setup() failed");
            goto failed;
        }
    
        ngx_eventfd_event.data = &ngx_eventfd_conn;
        ngx_eventfd_event.handler = ngx_epoll_eventfd_handler;
        ngx_eventfd_event.log = cycle->log;
        ngx_eventfd_event.active = 1;
        ngx_eventfd_conn.fd = ngx_eventfd;
        ngx_eventfd_conn.read = &ngx_eventfd_event;
        ngx_eventfd_conn.log = cycle->log;
        ee.events = EPOLLIN|EPOLLET;
        ee.data.ptr = &ngx_eventfd_conn;
    
        if (epoll_ctl(ep, EPOLL_CTL_ADD, ngx_eventfd, &ee) != -1) {
            return;
        }
    …
    }

然后 Nginx 会在读取文件的时候调用 ngx\_file\_aio\_read 函数进行异步读取：

ssize_t
    ngx_file_aio_read(ngx_file_t *file, u_char *buf, size_t size, off_t offset,
        ngx_pool_t *pool)
    {
        ngx_err_t         err;
        struct iocb      *piocb[1];
        ngx_event_t      *ev;
        ngx_event_aio_t  *aio;
        ...
        aio = file->aio;
        ev = &aio->event;
        ...
        if (ev->complete) {
            ev->active = 0;
            ev->complete = 0;
    
            if (aio->res >= 0) {
                ngx_set_errno(0);
                return aio->res;
            }
    
           ...
        }
    
        ngx_memzero(&aio->aiocb, sizeof(struct iocb));
    
        aio->aiocb.aio_data = (uint64_t) (uintptr_t) ev;
        aio->aiocb.aio_lio_opcode = IOCB_CMD_PREAD;
        aio->aiocb.aio_fildes = file->fd;
        aio->aiocb.aio_buf = (uint64_t) (uintptr_t) buf;
        aio->aiocb.aio_nbytes = size;
        aio->aiocb.aio_offset = offset;
        aio->aiocb.aio_flags = IOCB_FLAG_RESFD;
        aio->aiocb.aio_resfd = ngx_eventfd;
    
        ev->handler = ngx_file_aio_event_handler;
    
        piocb[0] = &aio->aiocb;
    
        if (io_submit(ngx_aio_ctx, 1, piocb) == 1) {
            ev->active = 1;
            ev->ready = 0;
            ev->complete = 0;
    
            return NGX_AGAIN;
        }
    ...
    }

### 5.7　tail 指令为何牛 ###

因为需要采集线上环境的数据，我开发了一个 Java agent 程序来采集相关信息。跑了一段时间后发现一个问题，假如采集数据量压力过大的话，会产生该进程占用 CPU 过高，例如100%以上的情况。

首先来看代理程序的伪代码：

public void run() {
        try {
        accesslog.seek(accesslog.length());
            int i = 0;
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                String line = accesslog.readLine();
                if (line != null) {
                    try {
                        parseLineAndLog(line);
                    } catch (Exception ex) {
    
                        LOGGER.error("parseLineAndLog log error:", ex);
                    }
                    try {
                        if (i++ % 100 == 0) {
                            Thread.sleep(100);
                        }
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            LOGGER.error("read ngx access log error:", e);
        }
    }

我们首先通过 top-H-p$\{pid\}观察该进程中的具体哪个线程占用 CPU 比较高。找到后，通过以下指令把 pid 转换成16进制的数据：

awk '{printf("%x",1234)}'

然后我们通过如下命令产生线程堆栈信息：

jstack ${pid} > stack.log

再通过刚才 awk 的16进制进程号查看，发现 jstack 中该进程一直在做如下操作：

String line = accesslog.readLine();

因为上面代码采用的 accesslog 其实是：

this.accesslog = new RandomAccessFile(path, "r");

而它的 readLine（）方法是不阻塞的，轮询必然导致 CPU 占用率的提升。

那如何解决呢？我使用了 tail 指令：

Process p = Runtime.getRuntime().exec("tail -n 1 -F " + path);
     br = new BufferedReader(new InputStreamReader(p.getInputStream()));

然后在 while 循环中用 br.readline 来解决问题。

上线后再观察，神奇的事情发生了，CPU 占用率始终控制在5%以下。

那么一条 tail 指令为什么能那么神奇呢？我们根据 Linus 大神的指示：从代码中寻找答案。

首先我们找到 tail 的源码：

http:// git.savannah.gnu.org/cgit/coreutils.git/tree/src/tail.c

经过一步一步分析后，我们发现，最终会调用 tail\_forever\_inotify 函数。

在2.6内核之后，Linux 提供了 inotify 功能，内核通过监控文件系统的变更来反向通知用户，这样减少了轮询的开销。我们来看其实现：

tail_forever_inotify (int wd, struct File_spec *f, size_t n_files,
                            double sleep_interval)
    {
    ...
    f[i].wd = inotify_add_watch (wd, f[i].name, inotify_wd_mask);
    ...
        if (pid)
            {
                if (writer_is_dead)
                    exit (EXIT_SUCCESS);
    
                writer_is_dead = (kill (pid, 0) != 0 && errno != EPERM);
    
                struct timeval delay; // 等待文件变化的时间
                if (writer_is_dead)
                    delay.tv_sec = delay.tv_usec = 0;
                else
                    {
                        delay.tv_sec = (time_t) sleep_interval;
                        delay.tv_usec = 1000000 * (sleep_interval - delay.tv_sec);
                    }
    
                    fd_set rfd;
                    FD_ZERO (&rfd);
                    FD_SET (wd, &rfd);
    
                    int file_change = select (wd + 1, &rfd, NULL, NULL, &delay);
    
                    if (file_change == 0)
                        continue;
                    else if (file_change == -1)
                        die (EXIT_FAILURE, errno, _("error monitoring inotify event"));
                }
    ...
     len = safe_read (wd, evbuf, evlen);
    ...

所以以上步骤主要分为三步：

1）注册 inotify 的 watch。

2）用 select 等待 watch 事件发生。

3）用 safe\_read 读取准备好的数据。

### 5.8　零拷贝技术应用分析 ###

在常见的 I/O 场景中，都是先通过 read+write（或 send）的方式来完成的，如图5-12所示，read 调用先从用户态切换到内核态，然后从文件中读取了数据，存储到内核的缓冲区中，然后再把数据从内核态缓冲区拷贝到用户态，同时从内核态切换到用户态。

接着用 send 写入到指定文件也是类似的过程，这里存在4次上下文切换和4次缓冲区的拷贝。

[![format_png 3][]][format_png 1]

图5-12　一次 read/send 的过程

为了优化这个缓冲区拷贝和上下文切换的次数，Linux 提供了几种方案，下面分别介绍。

5.8.1　mmap

假如仅仅是把数据写入到文件，Linux 提供了 mmap 的方式来共享内存虚拟地址空间，这样只要写共享内存就是写文件，读共享内存就是读文件，减少了缓冲区拷贝的次数。

mmap 的实现最终通过 do\_mmap 函数来实现：

unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
                unsigned long len, unsigned long prot,
                unsigned long flags, vm_flags_t vm_flags,
                unsigned long pgoff, unsigned long *populate)
    {
        struct mm_struct *mm = current->mm;                        // 当前进程的 mm
        …
        if ((prot & PROT_READ) && (current->personality & READ_IMPLIES_EXEC))
                                                                    // 是否隐藏了可执行属性
            if (!(file && path_noexec(&file->f_path)))
                prot |= PROT_EXEC;
        if (!(flags & MAP_FIXED))        // MAP_FIXED没有设置
            addr = round_hint_to_min(addr);        // 判断输入的欲映射的起始地址是否小于最小映射地址，如果小于，将 addr 修改为最小地址
        len = PAGE_ALIGN(len);        // 检测 len 是否越界
        …
        if ((pgoff + (len >> PAGE_SHIFT)) < pgoff)                // 再次检测是否越界
            return -EOVERFLOW;
        if (mm->map_count > sysctl_max_map_count)        // 超过一个进程中对于 mmap 的最大个数限制
            return -ENOMEM;
        addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);        // 获取没有映射的地址（查询 mm 中空闲的内存地址）
        …
        // 设置 vm_flags，根据传入的 port 和 flags 以及 mm 自己的 flag 来设置
        vm_flags |= calc_vm_prot_bits(prot) | calc_vm_flag_bits(flags) |
                mm->def_flags | VM_MAYREAD | VM_MAYWRITE | VM_MAYEXEC;
        …
        if (file) {
            struct inode *inode = file_inode(file);
            switch (flags & MAP_TYPE) {
            case MAP_SHARED:
                if ((prot&PROT_WRITE) && !(file->f_mode&FMODE_WRITE))
                                                                    // file 应该被打开并允许写入
                    return -EACCES;
                if (IS_APPEND(inode) && (file->f_mode & FMODE_WRITE))
                                                                    // 不能写入一个只允许写追加的文件
                    return -EACCES;
                if (locks_verify_locked(file))                // 文件被强制锁定
                    return -EAGAIN;
                vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE        // 尝试允许其他进程共享
                if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))                // 如果 file 不允许写,取消共享
                    vm_flags &= ~(VM_MAYWRITE | VM_SHARED);
            …
            }
        }
    
        …
        addr = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff); // 建立从文件到虚存区间的映射
        …
        return addr;
    }

以上过程最重要的两步是：

1）get\_unmapped\_area 查询并获取当前进程虚拟地址空间中空闲的没有映射的地址。

2）mmap\_region 建立从文件到虚存区间的映射。

最终映射后的关系如图5-13所示。

[![format_png 4][]][format_png 1]

图5-13　文件和虚拟地址空间映射后的关系

5.8.2　sendfile

假如需要从一个文件读数据，并且写入到另一个文件，mmap 的方式还是会存在2次系统调用4次上下文切换，所以 Linux 又提供了 sendfile 的调用，1次系统调用搞定（见图5-14）。

[![format_png 5][]][format_png 1]

图5-14　sendfile 调用过程

下面我们来分析一下 sendfile 的实现，sendfile 调用最终会调用 do\_sendfile 函数：

static ssize_t do_sendfile(int out_fd, int in_fd, loff_t *ppos,
                        size_t count, loff_t max)
    {
        file_start_write(out.file);
        retval = do_splice_direct(in.file, &pos, out.file, &out_pos, count, fl);
        file_end_write(out.file);
    …
        return retval;
    }

其中最关键的一行是 do\_splice\_direct：

long do_splice_direct(struct file *in, loff_t *ppos, struct file *out,
                    loff_t *opos, size_t len, unsigned int flags)
    {
        struct splice_desc sd = {
                .len        = len,
            .total_len      = len,
            .flags          = flags,
            .pos            = *ppos,
            .u.file         = out,
            .opos           = opos,
        };
        long ret;
    
        …
        ret = splice_direct_to_actor(in, &sd, direct_splice_actor);
        if (ret > 0)
            *ppos = sd.pos;
        return ret;
    }
    
    ssize_t splice_direct_to_actor(struct file *in, struct splice_desc *sd,
                     splice_direct_actor *actor)
    {
        struct pipe_inode_info *pipe;
        long ret, bytes;
        umode_t i_mode;
        size_t len;
        int i, flags, more;
        …
        pipe = current->splice_pipe;
        if (unlikely(!pipe)) {
            pipe = alloc_pipe_info();
            …
            pipe->readers = 1;
            current->splice_pipe = pipe;
        }
        // 进行拼接
        ret = 0;
        bytes = 0;
        len = sd->total_len;
        flags = sd->flags;
         // 不要在输出的时候阻塞，我们需要清空 direct pipe
        sd->flags &= ~SPLICE_F_NONBLOCK;
        more = sd->flags & SPLICE_F_MORE;
    
        while (len) {
            size_t read_len;
            loff_t pos = sd->pos, prev_pos = pos;
    
            ret = do_splice_to(in, &pos, pipe, len, flags);
            …
            ret = actor(pipe, sd);
            if (unlikely(ret <= 0)) {
                sd->pos = prev_pos;
                goto out_release;
            }
    
            bytes += ret;
            len -= ret;
            sd->pos = pos;
    
            if (ret < read_len) {
                sd->pos = prev_pos + ret;
                goto out_release;
            }
        }
    
    done:
        pipe->nrbufs = pipe->curbuf = 0;
        file_accessed(in);
        return bytes;
    …
    }

在上述代码中，总结起来就三个步骤：

1）alloc\_pipe\_info 分配 pipe 对象，pipe 其实就是个缓冲区。

2）do\_splice\_to 把 in 文件的数据读入到缓冲区。

3）actor 把缓冲区的数据读到 out 文件中。

5.8.3　mmap 和 sendfile 在开源软件中的使用

在 MongoDB 中，使用了操作系统底层提供的内存映射机制，即 mmap，数据文件使用 mmap 映射到内存空间进行管理，内存的管理（哪些数据何时换入/换出）完全交给 OS 管理。

MongoDB 对不同操作系统的 MemoryMappedFile 有不同的实现，我们这里针对 Linux 操作系统的实现来分析 MongoDB 中把文件数据映射到进程地址空间的操作：

void* MemoryMappedFile::map(const char *filename, unsigned long long &length, int options) {
        setFilename(filename);
        FileAllocator::get()->allocateAsap( filename, length );
        len = length;
        …
        unsigned long long filelen = lseek(fd, 0, SEEK_END);
        …
        lseek( fd, 0, SEEK_SET );
        void * view = mmap(NULL, length, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
        …
        views.push_back( view );
        return view;
    }

MongoDB 通知操作系统去映射所有数据文件到内存，操作系统使用 mmap（）系统调用来完成。从这一点看，数据文件，包括所有的 docments、collections 及其索引，都会被操作系统通过页（page）的方式交换到内存。如果有足够的内存，所有数据文件最终都会加载到内存中。

当内存发生了改变，比如一个写操作，产生的变化将会异步刷新到磁盘，但写操作仍是很快的，直接操作内存。数据量可以适应内存大小，从而达到一个理想状况——对磁盘的操作达到最小量。但是如果数据量超出内存，页面访问错误（page faults）将会悄悄上来，那么系统就会频繁访问内存，读写操作要慢很多。最糟糕的状况是数据量远大于内存，读写不稳定，性能急剧下降。

Kafka 是 Apache 社区下的消息中间件，在 Kafka 上，有两个原因可能导致低效：1）太多的网络请求；2）过多的字节拷贝。为了提高效率，Kafka 把 message 分成一组一组的，每次请求会把一组 message 发给相应的 consumer。此外，为了减少字节拷贝，采用了 sendfile 系统调用。

Kafka 设计了一种“标准字节消息”，Producer、Broker、Consumer 共享这一种消息格式。Kakfa 的消息日志在 broker 端就是一些目录文件，这些日志文件都是 MessageSet 按照这种“标准字节消息”格式写入磁盘的。

维持这种通用的格式对这些操作的优化尤为重要：持久化 log 块的网络传输。流行的 Unix 操作系统提供了一种非常高效的途径来实现页面缓存和 socket 之间的数据传递。在 Linux 操作系统中，这种方式称作：sendfile 系统调用（Java 提供了访问这个系统调用的方法：FileChannel.transferTo api）。

下面我们来分析在 Kafka 中的零拷贝流程。

首先我们来看 kafka 的服务端 socketServer 逻辑：

override def run() {
        startupComplete()
        while(isRunning) {
            try {
                // 配置任意一个新的可以用来排队的连接
                configureNewConnections()
                // 注册一个新的请求用来写
                processNewResponses()
    
                try {
                  selector.poll(300)
                } catch {
                  case...
                }

SocketServer 会 poll 队列，一旦对应的 KafkaChannel 写操作准备好了，就会调用 KafkaChannel 的 write 方法：

// KafkaChannel.scala
    public Send write() throws IOException {
        if (send != null && send(send))
    }
    // KafkaChannel.scala
    private boolean send(Send send) throws IOException {
        send.writeTo(transportLayer);
        if (send.completed())
            transportLayer.removeInterestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        return send.completed();
    }

其中 write 会调用 send 方法，对应的 Send 对象其实就是上面我们注册的 FetchRes-ponseSend 对象。

这段代码里实际发送数据的代码是 send.writeTo（transportLayer），对应的 writeTo 方法为：

private val sends = new MultiSend(dest, JavaConversions.seqAsJavaList(fetchResponse.
        dataGroupedByTopic.toList.map {
        case(topic, data) => new TopicDataSend(dest, TopicData(topic,data.map{case
            (topicAndPartition, message) => (topicAndPartition.partition, message)}))
        }))
    override def writeTo(channel: GatheringByteChannel): Long = {
        …
            written += sends.writeTo(channel)
        …
    }

这里最后调用了 sends 的 writeTo 方法，而 sends 其实是个 MultiSend。MultiSend 里有两个东西：

>  *  topicAndPartition.partition：分区。
>  *  message：FetchResponsePartitionData。还记得这个 FetchResponsePartitionData 吗？我们的 MessageSet 就放在了这个对象里。

TopicDataSend 也包含了 sends，该 sends 包含了 PartitionDataSend，而 PartitionDataSend 则包含了 FetchResponsePartitionData。

最后进行 writeTo 的时候，其实是调用了：

// partitionData 就是 FetchResponsePartitionData，messages 就是 FileMessageSet
    val bytesSent = partitionData.messages.writeTo(channel, messagesSentSize, messageSize - messagesSentSize)

FileMessageSet 也有个 writeTo 方法，就是我们之前已经提到过的那段代码：

def writeTo(destChannel: GatheringByteChannel, writePosition: Long, size: Int): Int = {
        ...
        val bytesTransferred = (destChannel match {
            case tl: TransportLayer => tl.transferFrom(channel, position, count)
            case dc => channel.transferTo(position, count, dc)
        }).toInt
        bytesTransferred
    }

最后通过 tl.transferFrom（channel，position，count）来完成最后的数据发送的。trans-ferFrom 其实是 Kafka 自己封装的一个方法，最终里面调用的也是 transerTo：

public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException {
        return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
    }

### 5.9　本章小结 ###

我们编写的应用程序或多或少都会涉及 I/O，比如读写数据库、读写网络等，总会遇到很多问题，例如在高并发场景下，如何编写高性能的服务端和客户端程序。对 I/O 的理解是否深入，关系到写出来的应用对性能的影响程度。

从狭义的角度来讲，I/O 就是 in 和 out 两条输入输出的汇编指令。但是从广义角度讲，I/O 可以涉及操作系统整个 I/O 模型的构建，系统从分层的角度，将数据从写文件开始最终转换成数据块并落入磁盘。从更深入的视角看，会涉及 epoll 这样的 I/O 多路复用模型。

因此，只有从操作系统的角度来理解 I/O，才能真正编写出高性能的应用程序。

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[format_png 3]: /images/20211211/5f6825951f8c44f8b3652d7546862516.png
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