NIO 及其在 Golang 网络库中的应用

【导读】NIO 是如何让 go 语言 web 库速度快的？本文对 NIO 和 golang 网络库做了详细介绍。

序

NIO（Non-blocking I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，是现今主流的大流量、高并发IO有效解决方案。

五种IO模型

在UNIX下，IO模式分为五类，分别是：阻塞式IO（bloking IO）、非阻塞式IO（non-blocking IO）、多路复用IO模型（multiplexing IO）、信号驱动IO模型（signal-driven IO）以及异步IO模型（asynchronous IO）。其中又以前三种模式最为常见。

5种IO模型对比图

传统的BIO模式

在阐述选择NIO的原因之前，首先说明一下阻塞和非阻塞的概念。阻塞和非阻塞的核心区别就在于，在IO就绪态（读就绪、写就绪、有新连接）到来之前是否会阻塞等待。

在最初的网络编程中，我们使用BIO模式构建编程模型，如下面的伪代码所示，这是经典的per thread per connection模型。这段代码的核心部分在于accept()、socket.read()、socket.write()三个函数，这三个函数在等待IO就绪态到来的过程中都将阻塞各自的线程。当连接数量达到一定程度之后，这样的阻塞、对线程资源的无效占用就变得不可容忍。后续的优化包括建立线程池，进行线程扩容，但这并没有根本解决问题。而NIO+多路复用的网络模型很好的解决了这个问题。

//BIO JAVA伪代码示意
class Server {
    public static void main() {
        while(true){    
            socket = server.accept();
            executor.submit(new ConnectIOHandler(socket));
        }
    }
}

class ConnectIOnHandler implements Runnable{
    private Socket socket;
    public ConnectIOnHandler(Socket socket){
       this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread.isInturruted() && socket.isClosed()) {
            //读取数据
            String data = socket.read()....
            if (data != null) {
                //处理数据
                dosomething();
                //写数据
                socket.write()...
            }
        }
    }

NIO + multiplexing IO

现今的高性能网络库基本采用了NIO+多路复用的模式构建，例如著名的netty，那么这是为什么呢？我们都知道，在网络IO最耗时的部分就在于等待IO就绪的过程，而真正的IO操作是一个高性能的过程，而NIO有一个重要的特点：socket的主要读、写、注册和接收函数，在等待就绪态前都是非阻塞的，只有在进行真正的IO操作时是同步阻塞的。结合多路复用带来的事件通知特性，就可以构建一套更高性能的网络模型。

读到这里你可能会有疑问，为什么是NIO + multiplexing IO，而不是BIO + multiplexing IO呢？以Linux下的Epoll举例，我们向Epoll的selector中注册一个socket并标示可读事件，当epoll_wait返回可读事件EPOLLIN到来，我们只知道socket可读，但不会知道有多少的数据可读，如果我们多次调用read函数将可能导致阻塞事件发生，所以如果是BIO+ multiplexing IO，我们必须每次read过后就马上返回epoll_wait，这种要求是苛刻的，在某些业务场景下也是不允许的，所以在实际的应用中，BIO + multiplexing IO的组合几乎不会出现。

golang的NIO

这是一个典型的Golang TCP Server示例

package main

import (
    "fmt"
    "net"
)

func main() {
    listen, err := net.Listen("tcp", ":8888")
    if err != nil {
        fmt.Println("listen error: ", err)
        return
    }

    for {
        conn, err := listen.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept error: ", err)
            break
        }

        // start a new goroutine to handle the new connection
        go HandleConn(conn)
    }
}
func HandleConn(conn net.Conn) {
    defer conn.Close()
    packet := make([]byte, 1024)
    for {
        // 如果没有可读数据，也就是读 buffer 为空，则阻塞
        _, _ = conn.Read(packet)
        // 同理，不可写则阻塞
        _, _ = conn.Write(packet)
    }
}

这段代码看起来和上文中的JAVA BIO代码很类似。那么这段Go代码里就绪态等待也会阻塞线程么？答案是并不会。相比与java，golang应用直接调用的是更为轻量级的协程goroutine，当socket在进行就绪态等待的时候，会阻塞协程，但是并不会阻塞线程。同时，golang的原生网络库底层同样实现了一套NIO + multiplexing IO的网络模型（netpoll），我们以Linux环境举例，在Linux下，netpoll的底层实现是Epoll， 我们的连接套接字被创建后会被设置为NO-BLOCK模式，而后加入到Epoll中进行监听，当读写就绪态到来之后，套接字阻塞的goroutine会被加入到可运行队列中，等待golang调度器的调度运行。