系统学习消息队列分享(十） 如何实现高性能的异步网络传输？

Posted 2022-11-30 wt645631686

异步与同步模型最大的区别是，同步模型会阻塞线程等待资源，而异步模型不会阻塞线程，它是等资源准备好后，再通知业务代码来完成后续的资源处理逻 辑。这种异步设计的方法，可以很好地解决IO等待的问题。

我们开发的绝大多数业务系统，它都是IO密集型系统。跟IO密集型系统相对的另一种系统叫计算密集型系 统。通过这两种系统的名字，估计你也能大概猜出来IO密集型系统是什么意思。

IO密集型系统大部分时间都在执行IO操作，这个IO操作主要包括网络IO和磁盘IO，以及与计算机连接的一 些外围设备的访问。与之相对的计算密集型系统，大部分时间都是在使用CPU执行计算操作。我们开发的业 务系统，很少有非常耗时的计算，更多的是网络收发数据，读写磁盘和数据库这些IO操作。这样的系统基本 上都是IO密集型系统，特别适合使用异步的设计来提升系统性能。

应用程序最常使用的IO资源，主要包括磁盘IO和网络IO。由于现在的SSD的速度越来越快，对于本地磁盘的 读写，异步的意义越来越小。所以，使用异步设计的方法来提升IO性能，我们更加需要关注的问题是，如何 来实现高性能的异步网络传输。

理想的异步网络框架应该是什么样的?

    在我们开发的程序中，如果要实现通过网络来传输数据，需要用到开发语言提供的网络通信类库。大部分语 言提供的网络通信基础类库都是同步的。一个TCP连接建立后，用戶代码会获得一个用于收发数据的通道。 每个通道会在内存中开辟两片区域用于收发数据的缓存。

发送数据的过程比较简单，我们直接往这个通道里面来写入数据就可以了。用戶代码在发送时写入的数据会 暂存在缓存中，然后操作系统会通过网卡，把发送缓存中的数据传输到对端的服务器上。

只要这个缓存不满，或者说，我们发送数据的速度没有超过网卡传输速度的上限，那这个发送数据的操作耗 时，只不过是一次内存写入的时间，这个时间是非常快的。所以，发送数据的时候同步发送就可以了，没有 必要异步。

     比较麻烦的是接收数据。对于数据的接收方来说，它并不知道什么时候会收到数据。那我们能直接想到的方 法就是，用一个线程阻塞在那儿等着数据，当有数据到来的时候，操作系统会先把数据写入接收缓存，然后 给接收数据的线程发一个通知，线程收到通知后结束等待，开始读取数据。处理完这一批数据后，继续阻塞 等待下一批数据到来，这样周而复始地处理收到的数据。

 

 

 

这就是同步网络IO的模型。同步网络IO模型在处理少量连接的时候，是没有问题的。但是如果要同时处理非 常多的连接，同步的网络IO模型就有点儿力不从心了。

因为，每个连接都需要阻塞一个线程来等待数据，大量的连接数就会需要相同数量的数据接收线程。当这些 TCP连接都在进行数据收发的时候，会导致什么情况呢?对，会有大量的线程来抢占CPU时间，造成频繁的 CPU上下文切换，导致CPU的负载升高，整个系统的性能就会比较慢。

所以，我们需要使用异步的模型来解决网络IO问题。怎么解决呢?

你可以先抛开你知道的各种语言的异步类库和各种异步的网络IO框架，想一想，对于业务开发者来说，一个 好的异步网络框架，它的API应该是什么样的呢?

我们希望达到的效果，无非就是，只用少量的线程就能处理大量的连接，有数据到来的时候能第一时间处理 就可以了。

 

 

 

对于开发者来说，最简单的方式就是，事先定义好收到数据后的处理逻辑，把这个处理逻辑作为一个回调方 法，在连接建立前就通过框架提供的API设置好。当收到数据的时候，由框架自动来执行这个回调方法就好了。