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：

同步	阻塞io，非阻塞io，io复用，信号驱动式io
异步	异步io

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：

服务器范式	例子	备注	软件实现
Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O（level-triggered）	select, poll(posix), /dev/poll(solaris), kqueue(bsd)	轮询
Serve many clients with each thread, and use nonblocking I/O (readiness change)	kqueue(bsd), epoll(linux), Realtime Signals(linux)	事件通知	nginx, redis
Serve many clients with each server thread, and use asynchronous I/O	aio	异步，没有得到广泛支持
Serve one client with each server thread	LinuxThreads, Java threading support in JDK 1.3.x and earlier	早期的java使用绿色线程

• 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