计算机网络(4): BIO服务模型原理

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-10-05 04:57 6阅读 0赞

### BIO代码 ###

在讲BIO的时候，一直说BIO即阻塞式IO，那么什么是阻塞，是怎么实现的呢？以下面的demo为例

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
     
            while(true) {
                System.out.println("开始接受连接");
                final Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("接受连接成功");
                final byte[] buffer = new byte[1024];
     
                new Thread(() -> {
                    try {
                        InputStream is = null;
                        is = socket.getInputStream();
                        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                        while (true) {
                            String str = br.readLine();
                            System.out.println(str);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
            }

上面是用java实现服务的一个demo：先创建一个serverSocket，然后通过accept方法进行监听客户端的连接，如果有客户端连接上来，就会创建一个socket套接字，然后通过read函数读取数据包的该进程空间。整个过程有两个阻塞点，其中一个是accpet，这里会阻塞，一直等到有客户端连接上来，另一个阻塞点是read，这里指的就是readLine函数，也就是说客户端连接上之后，如果不发数据，服务端会一直在read函处阻塞等待。

### 读阻塞 ###

究竟什么是阻塞呢？可以参考https://mp.weixin.qq.com/s/jtOVQpGaMOzHIDgrxErrvQ 这篇文章，read函数，底层就是调用的系统调用**sys_read**，内核中内底层有这样一段代码

if (EMPTY (tty->secondary)) {
     sleep_if_empty (&tty->secondary);
    }

再深入函数

static void sleep_if_empty (struct tty_queue *queue) {
     // 关中断
     cli ();
     // 只要队列为空
     while (EMPTY (*queue))
       // 可中断睡眠
       interruptible_sleep_on (&queue->proc_list);
     // 开中断
     sti ();
    }

继续跟进interruptible\_sleep\_on

void interruptible_sleep_on (struct task_struct **p) {
     ...
     current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;
     schedule ();
     ...
    }

在该函数中，可以明显看出来，将当前线程的状态设置为**可中断的等待状态**，同时调用schedule() 函数，强制进行一次进程调度。在进程调度算法中，再选择某个线程时，由于当前线程状态不是可运行状态，所以就不会调度到当前线程，这样也就意味着当前线程处于**阻塞态**了，这就是阻塞的本质。

### 网络包处理 ###

[聊聊Netty那些事儿之从内核角度看IO模型-51CTO.COM][Netty_IO_-51CTO.COM] 这篇文章讲的很不错，并盗图一张

![a6e2a9b599a6940ee6532b8f1e94d8b9.png][]

当内核收到网卡发来的数据包后，操作系统需要确定将数据包拷贝到哪个套接字（socket）的缓冲区中。这涉及到内核中的套接字数据结构以及数据包的目的地址等元数据。

在Linux内核中，每个套接字都有一个相关的套接字数据结构，其中包含了套接字的状态信息、缓冲区指针等。当内核接收到数据包时，它会使用一系列的操作来确定目标套接字，并将数据包复制到相应的缓冲区中。以下是大致的过程：

*  当网络数据帧通过网络传输到达网卡时，网卡会将网络数据帧通过DMA的方式放到环形缓冲区RingBuffer中。
 *  当DMA操作完成时，网卡会向CPU发起一个硬中断，告诉CPU有网络数据到达。CPU调用网卡驱动注册的硬中断响应程序。网卡硬中断响应程序会为网络数据帧创建内核数据结构sk\_buffer，并将网络数据帧拷贝到sk\_buffer中。然后发起软中断请求，通知内核有新的网络数据帧到达。
 *  内核线程ksoftirqd发现有软中断请求到来，随后调用网卡驱动注册的poll函数，poll函数将sk\_buffer中的网络数据包送到内核协议栈中注册的ip\_rcv函数中。每个CPU会绑定一个ksoftirqd内核线程专门用来处理软中断响应。
 *  在ip\_rcv函数中也就是上图中的网络层，取出数据包的IP头，判断该数据包下一跳的走向，如果数据包是发送给本机的，则取出传输层的协议类型(TCP或者UDP)，并去掉数据包的IP头，将数据包交给上图中得传输层处理。传输层的处理函数：TCP协议对应内核协议栈中注册的tcp\_rcv函数，UDP协议对应内核协议栈中注册的udp\_rcv函数。
 *  当我们采用的是TCP协议时，数据包到达传输层时，会在内核协议栈中的tcp\_rcv函数处理，在tcp\_rcv函数中去掉TCP头，根据四元组(源IP，源端口，目的IP，目的端口)查找对应的Socket。在Linux内核中，套接字数据结构通常以**哈希表**或其他数据结构的形式组织，以便高效地查找目标套接字。如果找到对应的Socket则将网络数据包中的传输数据拷贝到Socket中的**接收缓冲区**中。如果没有找到，则发送一个目标不可达的icmp包。

虽然传输过来之前，线程是阻塞的，不占用CPU时间，但是线程本身也会占用资源，一个操作系统不太会无限制扩展线程数量，并且当数据到达的时候，阻塞的线程还是会被唤醒，这样就导致操作系统需要在大量的线程间进行切换。

参考：

[聊聊Netty那些事儿之从内核角度看IO模型-51CTO.COM][Netty_IO_-51CTO.COM]

[Netty_IO_-51CTO.COM]: https://www.51cto.com/article/703026.html
[a6e2a9b599a6940ee6532b8f1e94d8b9.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/a6e2a9b599a6940ee6532b8f1e94d8b9.png