io等待为什么引发cpu过高_一文搞懂,网络IO模型

本文深入探讨了网络IO,特别是socket的运作机制和优化。介绍了CPU处理速度远超IO速度的问题,阐述了socket作为应用层与传输层之间的抽象层的角色。文章详细讲解了TCP通信时序图,分析了同步阻塞、非阻塞IO及I/O多路复用(select、poll、epoll)的区别。重点讨论了epoll的高效性和优化措施,如功能分离和就绪列表,以解决大量socket连接时的性能问题。

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IO(input output)主要指:文件IO,网络IO。今天我们重点讨论的是网络IO

首先我们要对这两种IO操作有个宏观上的认识:

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上图描述的是文件IO的大致耗时,查阅资料可知:网络IO的耗时也是在微秒级别,跟磁盘IO差不多。

从中我们能得出一些结论:CPU处理数据的速度远远大于IO准备数据的速度。因此网络IO性能优化是工程师们一直在努力的方向

Socket是什么呢?

可能很多人对socket的认识是:通过socket可以实现一个简单的网络通信,并不知道它的设计思路和使用它时到底干了啥。

socket是在应用层和传输层中间的抽象层,它把传输层(TCP/UDP)的复杂操作抽象成一些简单的接口,供应用层调用实现进程在网络中的通信。Socket起源于UNIX,在Unix一切皆文件的思想下,进程间通信就被冠名为文件描述符(file desciptor),Socket是一种“打开—读/写—关闭”模式的实现,服务器和客户端各自维护一个“文件”,在建立连接打开后,可以向文件写入内容供对方读取或者读取对方内容,通讯结束时关闭文件。

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举个具体的列子:socket一般被翻译为“套接字”,其实它在英文的含义为“插座”。

Socket就像一个电话插座,负责连通两端的电话,进行点对点通信,让电话可以进行通信,端口就像插座上的孔,端口不能同时被其他进程占用。而我们建立连接就像把插头插在这个插座上,创建一个Socket实例开始监听后,这个电话插座就时刻监听着消息的传入,谁拨通我这个“IP地址和端口”,我就接通谁。

Socket通信过程

TCP通信时序图

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总结:

一次完整的网络通信会经过多层的传输,需要经过物理传输层的网线和网卡,网络传输层的IP协议,经过这两层之后网络数据通过Ip地址可以知道传输到那台计算机了,传输到目标计算机后,操作系统内核通过网卡读取网络数据,将网络数据存储在内存中。计算机中会运行不同的网络程序,他们可能对应于系统中的不同进程,那要如何把网卡中的网络数据识别出来是给哪个进程的,要如何持续和稳定地给到对应的应用进程呢?我想这也就是socket设计的目的和想要解决的问题了,提供一些API接口来实现应用层通过操作系统内核读取网卡数据,并且将网络数据正确地分发到对应的应用层程序。

面试官为啥这么喜欢问IO模型?

​ 服务端处理网络请求的大致流程:

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核心过程:

(1)成功建立连接。

(2)内核等

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