从read 系统调用到 C10M 问题

一.前言

从上个世纪到现在，工程师们在优化服务器性能的过程中，提出了各种不同的io模型，比如非阻塞io，io复用，信号驱动式io，异步io。具体io模型在不同平台上的实现也不一样，比如io复用在bsd上可以由kqueue实现，在solaris系统上可以由/dev/poll实现。为了实现系统的可移植性，POSIX 确保 select和poll在 unix-like系统上得到广泛的支持。

在上个世纪，Dan Kegel 提出了C10K的设想，现在C10K 已经不是什么问题，比如nginx就可以做到百万级别的qps。于是又有人提出来了C10M的设想，Robert David Graham 从unix的最初设计初衷给出了自己的解决方案。

二.常见io模型

1.阻塞io

常见的read系统调用，是最常见的阻塞io：

2.非阻塞式io

非阻塞io的典型使用方式如下，设置非阻塞标志，并且常与io复用一起使用，使用起来比较复杂。

val = Fcntl(sockfd, F_GETFL, 0); Fcntl(sockfd, F_SETFL, val | O_NONBLOCK); /* O_NONBLOCK 标志非阻塞 */

3.io 复用 （select/poll）

io复用在处理数量庞大的fd时非常有效，我们以select为例，select的核心api是select函数:

int select(int nfds, fd_set *_Nullable restrict readfds,                   fd_set *_Nullable restrict writefds,                   fd_set *_Nullable restrict exceptfds,                   struct timeval *_Nullable restrict timeout);

看一个例子:

#include	"unp.h"  void str_cli(FILE *fp, int sockfd) { 	int			maxfdp1; 	fd_set		rset; 	char		sendline[MAXLINE], recvline[MAXLINE];  	FD_ZERO(&rset); 	for ( ; ; ) { 		FD_SET(fileno(fp), &rset); /* 设置要监听的socket fd */ 		FD_SET(sockfd, &rset); /* 设置要监听的file fd */ 		maxfdp1 = max(fileno(fp), sockfd) + 1; 		Select(maxfdp1, &rset, NULL, NULL, NULL); /* select 调用 */  		if (FD_ISSET(sockfd, &rset)) {	/* socket 可读 */ 			if (Readline(sockfd, recvline, MAXLINE) == 0) 				err_quit("str_cli: server terminated prematurely"); 			Fputs(recvline, stdout); 		}  		if (FD_ISSET(fileno(fp), &rset)) {  /* input 可读 */ 			if (Fgets(sendline, MAXLINE, fp) == NULL) 				return;		/* all done */ 			Writen(sockfd, sendline, strlen(sendline)); 		} 	} }

4.信号驱动式io

但凡涉及到信号的程序都比较复杂。要使用信号驱动式io，先开启socket的信号驱动式io功能，并通过sigaction 系统调用安装一个信号处理函数:

void dg_echo(int sockfd_arg, SA *pcliaddr, socklen_t clilen_arg) { 	int			i; 	const int	on = 1; 	sigset_t	zeromask, newmask, oldmask;  	sockfd = sockfd_arg; 	clilen = clilen_arg;  	for (i = 0; i < QSIZE; i++) {	/* init queue of buffers */ 		dg[i].dg_data = Malloc(MAXDG); 		dg[i].dg_sa = Malloc(clilen); 		dg[i].dg_salen = clilen; 	} 	iget = iput = nqueue = 0;  	Signal(SIGHUP, sig_hup); /* 安装信号处理函数 */ 	Signal(SIGIO, sig_io); 	Fcntl(sockfd, F_SETOWN, getpid()); /* 设置属主 */ 	Ioctl(sockfd, FIOASYNC, &on); /* 开启信号驱动式io */ 	Ioctl(sockfd, FIONBIO, &on); /* non-bloking */  	Sigemptyset(&zeromask);		/* init three signal sets */ 	Sigemptyset(&oldmask); 	Sigemptyset(&newmask); 	Sigaddset(&newmask, SIGIO);	/* signal we want to block */  	Sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask); 	for ( ; ; ) { 		while (nqueue == 0) 			sigsuspend(&zeromask);	/* wait for datagram to process */  			/* 4unblock SIGIO */ 		Sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL);  		Sendto(sockfd, dg[iget].dg_data, dg[iget].dg_len, 0, 			   dg[iget].dg_sa, dg[iget].dg_salen);  		if (++iget >= QSIZE) 			iget = 0;  			/* 4block SIGIO */ 		Sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask); 		nqueue--; 	} }

5.异步io

我们来看一个aio的例子(由于aio的例子过于复杂，我们这里只截取部分关键代码)：

for (i = 0; i < NBUF; i++) {     switch (bufs[i].op) {         case UNUSED:             /* 				 * Read from the input file if more data 				 * remains unread. 				 */             if (off < sbuf.st_size) {                 bufs[i].op = READ_PENDING;                 bufs[i].aiocb.aio_fildes = ifd;                 bufs[i].aiocb.aio_offset = off;                 off += BSZ;                 if (off >= sbuf.st_size)                     bufs[i].last = 1;                 bufs[i].aiocb.aio_nbytes = BSZ;                 if (aio_read(&bufs[i].aiocb) < 0) /* aio_read */                     err_sys("aio_read failed");                 aiolist[i] = &bufs[i].aiocb;                 numop++;             }             break;          case READ_PENDING:             if ((err = aio_error(&bufs[i].aiocb)) == EINPROGRESS) /* aio_error */                 continue;             if (err != 0) {                 if (err == -1)                     err_sys("aio_error failed");                 else                     err_exit(err, "read failed");             }              /* 				 * A read is complete; translate the buffer 				 * and write it. 				 */             if ((n = aio_return(&bufs[i].aiocb)) < 0) /* 调用aio_return成功则 说明数据已经返回 */                 err_sys("aio_return failed");             if (n != BSZ && !bufs[i].last)                 err_quit("short read (%d/%d)", n, BSZ);             for (j = 0; j < n; j++)                 bufs[i].data[j] = translate(bufs[i].data[j]);             bufs[i].op = WRITE_PENDING;             bufs[i].aiocb.aio_fildes = ofd;             bufs[i].aiocb.aio_nbytes = n;             if (aio_write(&bufs[i].aiocb) < 0) /* aio_write */                 err_sys("aio_write failed");             /* retain our spot in aiolist */             break;          case WRITE_PENDING:             if ((err = aio_error(&bufs[i].aiocb)) == EINPROGRESS) /* aio_error */                 continue;             if (err != 0) {                 if (err == -1)                     err_sys("aio_error failed");                 else                     err_exit(err, "write failed");             }              /* 				 * A write is complete; mark the buffer as unused. 				 */             if ((n = aio_return(&bufs[i].aiocb)) < 0)                 err_sys("aio_return failed");             if (n != bufs[i].aiocb.aio_nbytes)                 err_quit("short write (%d/%d)", n, BSZ);             aiolist[i] = NULL;             bufs[i].op = UNUSED;             numop--;             break;     } }

6.同步和异步的分类

网络上对io同步和异步的争论很多，这里给出Stevens的分类标准： 

三.C10K io策略

在上个世纪，Dan Kegel 提出了C10K的设想，即单机实现10k的并发量，主要提出了以下四种类型的解决方法：

• 在实现的过程中有诸多限制，比如打开fd的限制，创建thread数量的限制，根据不同内核而异。
• 32 位系统，用户态的虚拟空间只有3G，如果创建线程时分配的栈空间是10M，那么一个进程最多只能创建300 个左右的线程。 64 位系统，用户态的虚拟空间大到有128T，理论上不会受虚拟内存大小的限制（10M个线程），而会受系统的参数或性能限制（线程上下文切换）。

四.C10M

Robert David Graham认为如果要解决C10M的问题，必须对unix内核进行改造。当下的unix系统的设计目标是为了满足非常广泛的需求，于是加上了许多通用的功能，比如进程管理，内存管理等等。C10M的问题不是通用的问题，需要自己处理数据控制，而不是依赖unix内核，而且需要做到packet scalability, multi-core scalability, memory scalability。

专项问题，需要特殊的解决方案。

五.总结

本文从常见io模型出发，梳理了高并发服务器可能涉及到的io模型，这些经典io模型在过去十年基本没有发生变化。了解这些底层技术对我们了解深入理解服务器是非常有必要的。

六.参考

《unix网络编程》

http://www.kegel.com/c10k.html#threads.java

http://highscalability.com/blog/2013/5/13/the-secret-to-10-million-concurrent-connections-the-kernel-i.html 

https://man7.org/linux/man-pages/man2/select.2.html