探究Redis網(wǎng)絡模型究竟有多強大（上）

如果面試官問我：Redis為什么這么快？

我肯定會說：因為Redis是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫！如果不是直接把數(shù)據(jù)放在內(nèi)存里，甭管怎么優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、設計怎樣的網(wǎng)絡I/O模型，都不可能達到如今這般的執(zhí)行效率。

但是這么回答多半會讓我直接回去等通知了。。。因為面試官想聽到的就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡模型方面的回答，雖然這兩者只是在內(nèi)存基礎上的錦上添花。

說這些并非為了強調(diào)網(wǎng)絡模型并不重要，恰恰相反，它是Redis實現(xiàn)高吞吐量的重要底層支撐，是“高性能”的重要原因，卻不是“快”的直接理由。

本文將從BIO開始介紹，經(jīng)過NIO、多路復用，最終說回Redis的Reactor模型，力求詳盡。本文與其他文章的不同點主要在于：

1、不會介紹同步阻塞I/O、同步非阻塞I/O、異步阻塞I/O、異步非阻塞I/O等概念，這些術語只是對底層原理的一些概念總結(jié)而已，我覺得沒有用。底層原理搞懂了，這些概念根本不重要，我希望讀完本文之后，各位能夠不再糾結(jié)這些概念。

2、不會只拿生活中例子來說明問題。之前看過特別多的文章，這些文章舉的“燒水”、“取快遞”的例子真的是深入淺出，但是看懂這些例子會讓我們有一種我們真的懂了的錯覺。尤其對于網(wǎng)絡I/O模型而言，很難找到生活中非常貼切的例子，這種例子不過是已經(jīng)懂了的人高屋建瓴，對外輸出的一種形式，但是對于一知半解的讀者而言卻猶如鈍刀殺人。

牛皮已經(jīng)吹出去了，正文開始。

1. 一次I/O到底經(jīng)歷了什么

我們都知道，網(wǎng)絡I/O是通過Socket實現(xiàn)的，在說明網(wǎng)絡I/O之前，我們先來回顧（了解）一下本地I/O的流程。

舉一個非常簡單的例子，下面的代碼實現(xiàn)了文件的拷貝，將file1.txt的數(shù)據(jù)拷貝到file2.txt中：

public static void main(String[] args) throws Exception {
  
    FileInputStream in = new FileInputStream("/tmp/file1.txt");
    FileOutputStream out = new FileOutputStream("/tmp/file2.txt");

    byte[] buf = new byte[in.available()];
    in.read(buf);
    out.write(buf);
}

這個I/O操作在底層到底經(jīng)歷了什么呢？下圖給出了說明：

本地I/O示意圖

大致可以概括為如下幾個過程：

• in.read(buf)執(zhí)行時，程序向內(nèi)核發(fā)起 read()系統(tǒng)調(diào)用；
• 操作系統(tǒng)發(fā)生上下文切換，由用戶態(tài)(User mode)切換到內(nèi)核態(tài)(Kernel mode)，把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核緩沖區(qū) （buffer）中；
• 內(nèi)核把數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間，同時由內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶態(tài)；
• 繼續(xù)執(zhí)行 out.write(buf)；
• 再次發(fā)生上下文切換，將數(shù)據(jù)從用戶空間buffer拷貝到內(nèi)核空間buffer中，由內(nèi)核把數(shù)據(jù)寫入文件。

之所以先拿本地I/O舉個例子，是因為我想說明I/O模型并非僅僅針對網(wǎng)絡IO（雖然網(wǎng)絡I/O最常被我們拿來舉例），本地I/O同樣受到I/O模型的約束。比如在這個例子中，本地I/O用的就是典型的BIO，至于什么是BIO，稍安勿躁，接著往下看。

除此之外，通過本地I/O，我還想向各位說明下面幾件事情：

1. 我們編寫的程序本身并不能對文件進行讀寫操作，這個步驟必須依賴于操作系統(tǒng)，換個詞兒就是「內(nèi)核」；
2. 一個看似簡單的I/O操作卻在底層引發(fā)了多次的用戶空間和內(nèi)核空間的切換，并且數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間和用戶空間之間拷貝來拷貝去。

不同于本地I/O是從本地的文件中讀取數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡I/O是通過網(wǎng)卡讀取網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡I/O需要借助Socket來完成，所以接下來我們重新認識一下Socket。

2. 什么是Socket

這部分在一定程度上是我的強迫癥作祟，我關于文章對知識點講解的完備性上對自己近乎苛刻。我覺得把Socket講明白對接下來的講解是一件很重要的事情，看過我之前的文章的讀者或許能意識到，我盡量避免把前置知識直接以鏈接的形式展示出來，我認為會割裂整篇文章的閱讀體驗。

不割裂的結(jié)果就是文章可能顯得很啰嗦，好像一件事情非得從盤古開天辟地開始講起。因此，如果各位覺得對這個知識點有足夠的把握，就直接略過好了～

我們所做的任何需要和遠程設備進行交互的操作，并非是操作軟件本身進行的數(shù)據(jù)通信。舉個例子就是我們用瀏覽器刷B站視頻的時候，并非是瀏覽器自身向B站請求視頻數(shù)據(jù)的，而是必須委托操作系統(tǒng)內(nèi)核中的協(xié)議棧。

網(wǎng)絡I/O

而Socket庫就是操作系統(tǒng)提供給我們的，用于調(diào)用協(xié)議棧網(wǎng)絡功能的一堆程序組件的集合，也就是我們平時聽過的操作系統(tǒng)庫函數(shù)，Socket庫和協(xié)議棧的關系如下圖所示。

Socket庫和協(xié)議棧的關系

用戶進程向操作系統(tǒng)內(nèi)核的協(xié)議棧發(fā)出委托時，需要按照指定的順序來調(diào)用 Socket 庫中的程序組件。

本文的所有案例都以TCP協(xié)議為例進行講解。

大家可以把數(shù)據(jù)收發(fā)想象成在兩臺計算機之間創(chuàng)建了一條數(shù)據(jù)通道，計算機通過這條通道進行數(shù)據(jù)收發(fā)的雙向操作，當然，這條通道是邏輯上的，并非實際存在。

TCP連接有邏輯通道

數(shù)據(jù)通過管道流動這個比較好理解，但是問題在于這條管道雖然只是邏輯上存在，但是這個“邏輯”也不是光用腦袋想想就會出現(xiàn)的。就好比我們手機打電話，你總得先把號碼撥出去呀。

對應到網(wǎng)絡I/O中，就意味著雙方必須創(chuàng)建各自的數(shù)據(jù)出入口，然后將兩個數(shù)據(jù)出入口像連接水管一樣接通，這個數(shù)據(jù)出入口就是上圖中的套接字，就是大名鼎鼎的socket。

客戶端和服務端之間的通信可以被概括為如下4個步驟：

1. 服務端創(chuàng)建socket，等待客戶端連接（創(chuàng)建socket階段）；
2. 客戶端創(chuàng)建socket，連接到服務端（連接階段）；
3. 收發(fā)數(shù)據(jù)（通信階段）；
4. 斷開管道并刪除socket（斷開連接）。

每一步都是通過特定語言的API調(diào)用Socket庫，Socket庫委托協(xié)議棧進行操作的。socket就是調(diào)用Socket庫中程序組件之后的產(chǎn)成品，比如Java中的ServerSocket，本質(zhì)上還是調(diào)用操作系統(tǒng)的Socket庫，因此下文的代碼實例雖然采用Java語言，但是希望各位讀者注意： 只有語法上抽象與具體的區(qū)別，socket的操作邏輯是完全一致的 。

但是，我還是得花點口舌啰嗦一下這幾個步驟的一些細節(jié)，為了不至于太枯燥，接下來將這4個步驟和BIO一起講解。

3. 阻塞I/O（Blocking I/O，BIO）

我們先從比較簡單的客戶端開始談起。

3.1 客戶端的socket流程

public class BlockingClient {
    public static void main(String[] args) {

        try {
            // 創(chuàng)建套接字 & 建立連接
            Socket socket = new Socket("localhost", 8099);
            // 向服務端寫數(shù)據(jù)
            BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
            bufferedWriter.write("我是客戶端，收到請回答?。\n");
            bufferedWriter.flush();

            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line = bufferedReader.readLine();
            System.out.println("收到服務端返回的數(shù)據(jù)：" + line);
        } catch (IOException e) {
            // 錯誤處理
        }
    }
}

上面展示了一段非常簡單的Java BIO的客戶端代碼，相信你們一定不會感到陌生，接下來我們一點點分析客戶端的socket操作究竟做了什么。

Socket socket = new Socket("localhost", 8099);

雖然只是簡單的一行語句，但是其中包含了兩個步驟，分別是創(chuàng)建套接字、建立連接，等價于下面兩行偽代碼：

<描述符> = socket(<使用IPv4>, <使用TCP>, ...);
connect(<描述符>, <服務器IP地址和端口號>, ...);

注意：

文中會出現(xiàn)多個關于*ocket的術語，比如Socket庫，就是操作系統(tǒng)提供的庫函數(shù)；socket組件就是Socket庫中和socket相關的程序的統(tǒng)稱；socket()函數(shù)以及socket（或稱：套接字）就是接下來要講的內(nèi)容，我會盡量在描述過程中不產(chǎn)生混淆，大家注意根據(jù)上下文進行辨析。

3.1.1 何為socket？

上文已經(jīng)說了，邏輯管道存在的前提是需要各自先創(chuàng)建socket（就好比你打電話之前得先有手機），然后將兩個socket進行關聯(lián)。客戶端創(chuàng)建socket非常簡單，只需要調(diào)用Socket庫中的socket組件的socket()函數(shù)就可以了。

<描述符> = socket(<使用IPv4>, <使用TCP>, ...);

客戶端代碼調(diào)用socket()函數(shù)向協(xié)議棧申請創(chuàng)建socket，協(xié)議棧會根據(jù)你的參數(shù)來決定socket是IPv4還是IPv6，是TCP還是UDP。除此之外呢？

基本的臟活累活都是協(xié)議棧完成的，協(xié)議棧想傳遞消息總得知道目的IP和端口吧，要是你用的是TCP協(xié)議，你甚至還得記錄每個包的發(fā)送時間以及每個包是否收到回復，否則TCP的超時重傳就不會正常工作。。。等等。。。

因此，協(xié)議棧會申請一塊內(nèi)存空間，在其中存放諸如此類的各種控制信息，協(xié)議棧就是根據(jù)這些控制信息來工作的，這些控制信息我們就可以理解為是socket的實體。怎么樣，是不是之前感覺虛無縹緲的socket突然鮮活了起來？

我們看一個更鮮活的例子，我在本級上執(zhí)行netstat -anop命令，得到的每一行信息我們就可以理解為是一個socket，我們重點看一下下圖中標注的兩條。

這兩條都是redis-server的socket信息，第1條表示redis-server服務正在IP為127.0.0.1，端口為6379的主機上等待遠程客戶端連接，因為Foreign address為0.0.0.0:*，表示通信還未開始，IP無法確定，因此State為LISTEN狀態(tài)；第2條表示redis-server服務已經(jīng)建立了與IP為127.0.0.1的客戶端之間的連接，且客戶端使用49968的端口號，目前該socket的狀態(tài)為ESTABLISHED。

協(xié)議棧創(chuàng)建完socket之后，會返回一個描述符給應用程序。描述符用來識別不同的socket，可以將描述符理解成某個socket的編號，就好比你去洗澡的時候，前臺會發(fā)給你一個手牌，原理差不多。

之后對socket進行的任何操作，只要我們出示自己的手牌，啊呸，描述符，協(xié)議棧就能知道我們想通過哪個socket進行數(shù)據(jù)收發(fā)了。

描述符就是socket的號碼牌

至于為什么不直接返回socket的內(nèi)存地址以及其他細節(jié)，可以參考我之前寫的文章《2>&1到底是什么意思》

3.1.2 何為連接？

connect(<描述符>, <服務器IP地址和端口號>, ...);

socket剛創(chuàng)建的時候，里邊沒啥有用的信息，別說自己即將通信的對象長啥樣了，就是叫啥，現(xiàn)在在哪兒也不知道，更別提協(xié)議棧，自然是啥也知道！

因此，第1件事情就是應用程序需要把服務器的IP地址和端口號告訴協(xié)議棧，有了街道和門牌號，接下來協(xié)議棧就可以去找服務器了。

對于服務器也是一樣的情況，服務器也有自己的socket，在接收到客戶端的信息的同時，服務器也得知道客戶端的IP和端口號啊，要不然只能單線聯(lián)系了。因此對客戶端做的第1件事情就有了要求，必須把客戶端自己的IP以及端口號告知服務器，然后兩者就可以愉快的聊天了。

這就是 3次握手 。

一句話概括連接的含義： 連接實際上是通信的雙方交換控制信息，并將必要的控制信息保存在各自的socket中的過程 。

連接過后，每個socket就被4個信息唯一標識，通常我們稱為四元組：

socket四元組

趁熱打鐵，我們趕緊再說一說服務器端創(chuàng)建socket以及接受連接的過程。

3.2 服務端的socket流程

public class BIOServerSocket {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;

        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8099);
            System.out.println("啟動服務：監(jiān)聽端口:8099");
            // 等待客戶端的連接過來,如果沒有連接過來，就會阻塞
            while (true) {
                // 表示阻塞等待監(jiān)聽一個客戶端連接,返回的socket表示連接的客戶端信息
                Socket socket = serverSocket.accept(); 
                System.out.println("客戶端：" + socket.getPort());
                // 表示獲取客戶端的請求報文
                BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                // 讀操作也是阻塞的
                String clientStr = bufferedReader.readLine();
                System.out.println("收到客戶端發(fā)送的消息：" + clientStr);

                BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()));
                bufferedWriter.write("ok\\n");
                bufferedWriter.flush();
            }
        } catch (IOException e) {
            // 錯誤處理
        } finally {
            // 其他處理
        }
    }
}

上面一段是非常簡單的Java BIO的服務端代碼，代碼的含義就是：

1. 創(chuàng)建socket；
2. 將socket設置為等待連接狀態(tài)；
3. 接受客戶端連接；
4. 收發(fā)數(shù)據(jù)。

這些步驟調(diào)用的底層代碼的偽代碼如下：

// 創(chuàng)建socket