探究Redis網(wǎng)絡(luò)模型究竟有多強(qiáng)大（中）

3.2.1 創(chuàng)建socket

創(chuàng)建socket這一步和客戶(hù)端沒(méi)啥區(qū)別，不同的是這個(gè)socket我們稱(chēng)之為 等待連接socket（或監(jiān)聽(tīng)socket） 。

3.2.2 綁定端口號(hào)

bind()函數(shù)會(huì)將端口號(hào)寫(xiě)入上一步生成的監(jiān)聽(tīng)socket中，這樣一來(lái)，監(jiān)聽(tīng)socket就完整保存了服務(wù)端的IP和端口號(hào)。

3.2.3 listen()的真正作用

listen(<Server描述符>, <最大連接數(shù)>);

很多小伙伴一定會(huì)對(duì)這個(gè)listen()有疑問(wèn)，監(jiān)聽(tīng)socket都已經(jīng)創(chuàng)建完了，端口也已經(jīng)綁定完了，為什么還要多調(diào)用一個(gè)listen()呢？

我們剛說(shuō)過(guò)監(jiān)聽(tīng)socket和客戶(hù)端創(chuàng)建的socket沒(méi)什么區(qū)別，問(wèn)題就出在這個(gè)沒(méi)什么區(qū)別上。

socket被創(chuàng)建出來(lái)的時(shí)候都默認(rèn)是一個(gè) 主動(dòng)socket ，也就說(shuō)，內(nèi)核會(huì)認(rèn)為這個(gè)socket之后某個(gè)時(shí)候會(huì)調(diào)用connect()主動(dòng)向別的設(shè)備發(fā)起連接。這個(gè)默認(rèn)對(duì)客戶(hù)端socket來(lái)說(shuō)很合理，但是監(jiān)聽(tīng)socket可不行，它只能等著客戶(hù)端連接自己，因此我們需要調(diào)用listen()將監(jiān)聽(tīng)socket從主動(dòng)設(shè)置為被動(dòng)，明確告訴內(nèi)核：你要接受指向這個(gè)監(jiān)聽(tīng)socket的連接請(qǐng)求！

此外，listen()的第2個(gè)參數(shù)也大有來(lái)頭！監(jiān)聽(tīng)socket真正接受的應(yīng)該是已經(jīng)完整完成3次握手的客戶(hù)端，那么還沒(méi)完成的怎么辦？總得找個(gè)地方放著吧。于是內(nèi)核為每一個(gè)監(jiān)聽(tīng)socket都維護(hù)了兩個(gè)隊(duì)列：

• 半連接隊(duì)列（未完成連接的隊(duì)列）

這里存放著暫未徹底完成3次握手的socket（為了防止半連接攻擊，這里存放的其實(shí)是占用內(nèi)存極小的request _sock，但是我們直接理解成socket就行了），這些socket的狀態(tài)稱(chēng)為SYN_RCVD。

• 已完成連接隊(duì)列

每個(gè)已完成TCP3次握手的客戶(hù)端連接對(duì)應(yīng)的socket就放在這里，這些socket的狀態(tài)為ESTABLISHED。

文字太多了，有點(diǎn)干，上個(gè)圖！

listen與3次握手

解釋一下動(dòng)圖中的內(nèi)容：

1. 客戶(hù)端調(diào)用connect()函數(shù)，開(kāi)始3次握手，首先發(fā)送一個(gè)SYN X的報(bào)文（X是個(gè)數(shù)字，下同）；
2. 服務(wù)端收到來(lái)自客戶(hù)端的SYN，然后在監(jiān)聽(tīng)socket對(duì)應(yīng)的半連接隊(duì)列中創(chuàng)建一個(gè)新的socket，然后對(duì)客戶(hù)端發(fā)回響應(yīng)SYN Y，捎帶手對(duì)客戶(hù)端的報(bào)文給個(gè)ACK；
3. 直到客戶(hù)端完成第3次握手，剛才新創(chuàng)建的socket就會(huì)被轉(zhuǎn)移到已連接隊(duì)列；
4. 當(dāng)進(jìn)程調(diào)用accept()時(shí)，會(huì)將已連接隊(duì)列頭部的socket返回；如果已連接隊(duì)列為空，那么進(jìn)程將被睡眠，直到已連接隊(duì)列中有新的socket，進(jìn)程才會(huì)被喚醒，將這個(gè)socket返回 。

第4步就是阻塞的本質(zhì)啊，朋友們！

3.3 答疑時(shí)間

Q1.隊(duì)列中的對(duì)象是socket嗎？

呃。。。乖，咱就把它當(dāng)成socket就好了，這樣容易理解，其實(shí)具體里邊存放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是啥，我也很想知道，等我寫(xiě)完這篇文章，我研究完了告訴你。

Q2.accept()這個(gè)函數(shù)你還沒(méi)講是啥意思呢？

accept()函數(shù)是由服務(wù)端調(diào)用的，用于從已連接隊(duì)列中返回一個(gè)socket描述符；如果socket為阻塞式的，那么如果已連接隊(duì)列為空，accept()進(jìn)程就會(huì)被睡眠。BIO恰好就是這個(gè)樣子。

Q3.accept()為什么不直接把監(jiān)聽(tīng)socket返回呢？

因?yàn)樵陉?duì)列中的socket經(jīng)過(guò)3次握手過(guò)程的控制信息交換，socket的4元組的信息已經(jīng)完整了，用做socket完全沒(méi)問(wèn)題。

監(jiān)聽(tīng)socket就像一個(gè)客服，我們給客服打電話(huà)，然后客服找到解決問(wèn)題的人，幫助我們和解決問(wèn)題的人建立聯(lián)系，如果直接把監(jiān)聽(tīng)socket返回，而不使用連接socket，就沒(méi)有socket繼續(xù)等待連接了。

哦對(duì)了，accept()返回的socket也有個(gè)名字，叫 連接socket 。

3.4 BIO究竟阻塞在哪里

拿Server端的BIO來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，阻塞在了serverSocket.accept()以及bufferedReader.readLine()這兩個(gè)地方。有什么辦法可以證明阻塞嗎？

簡(jiǎn)單的很！你在serverSocket.accept(); 的下一行打個(gè)斷點(diǎn)，然后debug模式運(yùn)行BIOServerSocket，在沒(méi)有客戶(hù)端連接的情況下，這個(gè)斷點(diǎn)絕不會(huì)觸發(fā)！同樣，在bufferedReader.readLine();下一行打個(gè)斷點(diǎn)，在已連接的客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)之前，這個(gè)斷點(diǎn)絕不會(huì)觸發(fā)！

readLine()的阻塞還帶來(lái)一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，如果已經(jīng)連接的客戶(hù)端一直不發(fā)送消息，readLine()進(jìn)程就會(huì)一直阻塞（處于睡眠狀態(tài)），結(jié)果就是代碼不會(huì)再次運(yùn)行到accept()，這個(gè)ServerSocket沒(méi)辦法接受新的客戶(hù)端連接。

解決這個(gè)問(wèn)題的核心就是別讓代碼卡在readLine()就可以了，我們可以使用新的線(xiàn)程來(lái)readLine()，這樣代碼就不會(huì)阻塞在readLine()上了。

3.5 改造BIO

改造之后的BIO長(zhǎng)這樣，這下子服務(wù)端就可以隨時(shí)接受客戶(hù)端的連接了，至于啥時(shí)候能read到客戶(hù)端的數(shù)據(jù)，那就讓線(xiàn)程去處理這個(gè)事情吧。

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

        try {
            serverSocket = new ServerSocket(8099);
            System.out.println("啟動(dòng)服務(wù)：監(jiān)聽(tīng)端口:8099");
            // 等待客戶(hù)端的連接過(guò)來(lái),如果沒(méi)有連接過(guò)來(lái)，就會(huì)阻塞
            while (true) {
                // 表示阻塞等待監(jiān)聽(tīng)一個(gè)客戶(hù)端連接,返回的socket表示連接的客戶(hù)端信息
                Socket socket = serverSocket.accept(); //連接阻塞
                System.out.println("客戶(hù)端：" + socket.getPort());
                // 表示獲取客戶(hù)端的請(qǐng)求報(bào)文
                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        try {
                            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(
                                    new InputStreamReader(socket.getInputStream())
                            );
                            String clientStr = bufferedReader.readLine();
                            System.out.println("收到客戶(hù)端發(fā)送的消息：" + clientStr);

                            BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(
                                    new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream())
                            );
                            bufferedWriter.write("ok\\n");
                            bufferedWriter.flush();
                        } catch (Exception e) {
                            //...
                        }

                    }
                }).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            // 錯(cuò)誤處理
        } finally {
            // 其他處理
        }
    }
}

事情的順利進(jìn)展不禁讓我們飄飄然，我們居然是使用高階的多線(xiàn)程技術(shù)解決了BIO的阻塞問(wèn)題，雖然目前每個(gè)客戶(hù)端都需要一個(gè)單獨(dú)的線(xiàn)程來(lái)處理，但accept()總歸不會(huì)被readLine()卡死了。

BIO改造之后

所以我們改造完之后的程序是不是就是非阻塞IO了呢？

想多了。。。我們只是用了點(diǎn)奇技淫巧罷了，改造完的代碼在系統(tǒng)調(diào)用層面該阻塞的地方還是阻塞，說(shuō)白了，Java提供的API完全受限于操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用，在Java語(yǔ)言級(jí)別沒(méi)能力改變底層BIO的事實(shí)！

Java沒(méi)這個(gè)能力!

3.6 掀開(kāi)BIO的遮羞布

接下來(lái)帶大家看一下改造之后的BIO代碼在底層都調(diào)用了哪一些系統(tǒng)調(diào)用，讓我們?cè)诘讓由蠈?duì)上文的內(nèi)容加深一下理解。

給大家打個(gè)氣，接下來(lái)的內(nèi)容其實(shí)非常好理解，大家跟著文章一步步地走，一定能看得懂，如果自己動(dòng)手操作一遍，那就更好了。

對(duì)了，我下來(lái)使用的JDK版本是JDK8。

strace是Linux上的一個(gè)程序，該程序可以追蹤并記錄參數(shù)后邊運(yùn)行的進(jìn)程對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了哪些系統(tǒng)調(diào)用。

strace -ff -o out java BIOServerSocketWithThread

其中:

• -o:

將系統(tǒng)調(diào)用的追蹤信息輸出到out文件中，不加這個(gè)參數(shù)，默認(rèn)會(huì)輸出到標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤stderr。

• -ff

如果指定了-o選項(xiàng)，strace會(huì)追蹤和程序相關(guān)的每一個(gè)進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用，并將信息輸出到以進(jìn)程id為后綴的out文件中。舉個(gè)例子，比如BIOServerSocketWithThread程序運(yùn)行過(guò)程中有一個(gè)ID為30792的進(jìn)程，那么該進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用日志會(huì)輸出到out.30792這個(gè)文件中。

我們運(yùn)行strace命令之后，生成了很多個(gè)out文件。

這么多進(jìn)程怎么知道哪個(gè)是我們需要追蹤的呢？我就挑了一個(gè)容量最大的文件進(jìn)行查看，也就是out.30792，事實(shí)上，這個(gè)文件也恰好是我們需要的，截取一下里邊的內(nèi)容給大家看一下。

可以看到圖中的有非常多的行，說(shuō)明我們寫(xiě)的這么幾行代碼其實(shí)默默調(diào)用了非常多的系統(tǒng)調(diào)用，拋開(kāi)細(xì)枝末節(jié)，看一下上圖中我重點(diǎn)標(biāo)注的系統(tǒng)調(diào)用，是不是就是上文中我解釋過(guò)的函數(shù)？我再詳細(xì)解釋一下每一步，大家聯(lián)系上文，會(huì)對(duì)BIO的底層理解的更加通透。

1. 生成監(jiān)聽(tīng)socket，并返回socket描述符7，接下來(lái)對(duì)socket進(jìn)行操作的函數(shù)都會(huì)有一個(gè)參數(shù)為7；
2. 將8099端口綁定到監(jiān)聽(tīng)socket，bind的第一個(gè)參數(shù)就是7，說(shuō)明就是對(duì)監(jiān)聽(tīng)socket進(jìn)行的操作；
3. listen()將監(jiān)聽(tīng)socket（參數(shù)為7）設(shè)置為被動(dòng)接受連接的socket，并且將隊(duì)列的長(zhǎng)度設(shè)置為50；
4. 實(shí)際上就是System.out.println("啟動(dòng)服務(wù)：監(jiān)聽(tīng)端口:8099");這一句的系統(tǒng)調(diào)用，只不過(guò)中文被編碼了，所以我特意把:8099圈出來(lái)證明一下;

額外說(shuō)兩點(diǎn)：

其一：可以看到，這么一句簡(jiǎn)單的打印輸出在底層實(shí)際調(diào)用了兩次write系統(tǒng)調(diào)用，這就是為什么不推薦在生產(chǎn)環(huán)境下使用打印語(yǔ)句的原因，多少會(huì)影響系統(tǒng)性能；

其二：write()的第一個(gè)參數(shù)為1，也是文件描述符，表示的是標(biāo)準(zhǔn)輸出stdout。

5. 系統(tǒng)調(diào)用阻塞在了poll()函數(shù)，怎么看出來(lái)的阻塞？out文件的每一行運(yùn)行完畢都會(huì)有一個(gè) = 返回值，而poll()目前沒(méi)有返回值，因此阻塞了。實(shí)際上poll()系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)的Java語(yǔ)句就是serverSocket.accept();。

不對(duì)?。繛槭裁吹讓诱{(diào)用的不是accept()而是poll()?poll()應(yīng)該是多路復(fù)用才是啊。在JDK4之前，底層確實(shí)直接調(diào)用的是accept()，但是之后的JDK對(duì)這一步進(jìn)行了優(yōu)化，除了調(diào)用accept()，還加上了poll()。poll()的細(xì)節(jié)我們下文再說(shuō)，這里可以起碼證明了poll()函數(shù)依然是阻塞的，所以整個(gè)BIO的阻塞邏輯沒(méi)有改變。

接下來(lái)我們起一個(gè)客戶(hù)端對(duì)程序發(fā)起連接，直接用Linux上的nc程序即可，比較簡(jiǎn)單：

nc localhost 8099

發(fā)起連接之后（但并未主動(dòng)發(fā)送信息），out.30792的內(nèi)容發(fā)生了變化：

1. poll()函數(shù)結(jié)束阻塞，程序接著調(diào)用accept()函數(shù)返回一個(gè)連接socket，該socket的描述符為8；
2. 就是System.out.println("客戶(hù)端：" + socket.getPort());的底層調(diào)用；
3. 底層使用clone()創(chuàng)造了一個(gè)新進(jìn)程去處理連接socket，該進(jìn)程的pid為31168，因此JDK8的線(xiàn)程在底層其實(shí)就是輕量級(jí)進(jìn)程；
4. 回到poll()函數(shù)繼續(xù)阻塞等待新客戶(hù)端連接。

由于創(chuàng)建了一個(gè)新的進(jìn)程，因此在目錄下對(duì)多出一個(gè)out.31168的文件，我們看一下該文件的內(nèi)容：

發(fā)現(xiàn)子進(jìn)程阻塞在了recvfrom()這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用上，對(duì)應(yīng)的Java源碼就是bufferedReader.readLine();，直到客戶(hù)端主動(dòng)給服務(wù)端發(fā)送消息，阻塞才會(huì)結(jié)束。

3.7 BIO總結(jié)

到此為止，我們就通過(guò)底層的系統(tǒng)調(diào)用證明了BIO在accept()以及readLine()上的阻塞。最后用一張圖來(lái)結(jié)束B(niǎo)IO之旅。

BIO模型

BIO之所以是BIO，是因?yàn)橄到y(tǒng)底層調(diào)用是阻塞的，上圖中的進(jìn)程調(diào)用recv，其系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)包準(zhǔn)備好并且被復(fù)制到應(yīng)用程序的緩沖區(qū)或者發(fā)生錯(cuò)誤為止才會(huì)返回，在此整個(gè)期間，進(jìn)程是被阻塞的，啥也干不了。