PRC核心原理二

上一文中介绍了什么是RPC,以及PRC的协议设计和对象序列化,详情可学习,本篇重点介绍PRC的网络通信和如何实现本地方法调用。

网络通信

常见的网络 IO 模型

那说到网络通信,就不得不提一下网络 IO 模型。为什么要讲网络 IO 模型呢?因为所谓的两台 PC 机之间的网络通信,实际上就是两台 PC 机对网络 IO 的操作。

常见的网络 IO 模型分为四种:同步阻塞 IO(BIO)、同步非阻塞 IO(NIO)、IO 多路复用和异步非阻塞 IO(AIO)。在这四种 IO 模型中,只有 AIO 为异步 IO,其他都是同步 IO。

阻塞 IO(blocking IO)

同步阻塞 IO 是最简单、最常见的 IO 模型,在 Linux 中,默认情况下所有的 socket 都是 blocking 的,先看下操作流程。

首先,应用进程发起 IO 系统调用后,应用进程被阻塞,转到内核空间处理。之后,内核开始等待数据,等待到数据之后,再将内核中的数据拷贝到用户内存中,整个 IO 处理完毕后返回进程。最后应用的进程解除阻塞状态,运行业务逻辑。

这里我们可以看到,系统内核处理 IO 操作分为两个阶段——等待数据和拷贝数据。而在这两个阶段中,应用进程中 IO 操作的线程会一直都处于阻塞状态,如果是基于 Java 多线程开发,那么每一个 IO 操作都要占用线程,直至 IO 操作结束。

IO 多路复用(IO multiplexing)

多路复用 IO 是在高并发场景中使用最为广泛的一种 IO 模型,如 Java 的 NIO、Redis、Nginx 的底层实现就是此类 IO 模型的应用,经典的 Reactor 模式也是基于此类 IO 模型。

那么什么是 IO 多路复用呢?通过字面上的理解,多路就是指多个通道,也就是多个网络连接的 IO,而复用就是指多个通道复用在一个复用器上。

多个网络连接的 IO 可以注册到一个复用器(select)上,当用户进程调用了 select,那么整个进程会被阻塞。同时,内核会“监视”所有 select 负责的 socket,当任何一个 socket 中的数据准备好了,select 就会返回。这个时候用户进程再调用 read 操作,将数据从内核中拷贝到用户进程。

这里我们可以看到,当用户进程发起了 select 调用,进程会被阻塞,当发现该 select 负责的 socket 有准备好的数据时才返回,之后才发起一次 read,整个流程要比阻塞 IO 要复杂,似乎也更浪费性能。但它最大的优势在于,用户可以在一个线程内同时处理多个 socket 的 IO 请求。用户可以注册多个 socket,然后不断地调用 select 读取被激活的 socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个 IO 请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

RPC 网络通信上倾向选择哪种网络 IO 模型

IO 多路复用更适合高并发的场景,可以用较少的进程(线程)处理较多的 socket 的 IO 请求,但使用难度比较高。当然高级的编程语言支持得还是比较好的,比如 Java 语言有很多的开源框架对 Java 原生 API 做了封装,如 Netty 框架,使用非常简便;而 GO 语言,语言本身对 IO 多路复用的封装就已经很简洁了。

而阻塞 IO 与 IO 多路复用相比,阻塞 IO 每处理一个 socket 的 IO 请求都会阻塞进程(线程),但使用难度较低。在并发量较低、业务逻辑只需要同步进行 IO 操作的场景下,阻塞 IO 已经满足了需求,并且不需要发起 select 调用,开销上还要比 IO 多路复用低。

RPC 调用在大多数的情况下,是一个高并发调用的场景,考虑到系统内核的支持、编程语言的支持以及 IO 模型本身的特点,在 RPC 框架的实现中,在网络通信的处理上,我们会选择 IO 多路复用的方式。开发语言的网络通信框架的选型上,我们最优的选择是基于 Reactor 模式实现的框架,如 Java 语言,首选的框架便是 Netty 框架(Java 还有很多其他 NIO 框架,但目前 Netty 应用得最为广泛)

零拷贝

在阻塞IO中,系统内核处理 IO 操作分为两个阶段——等待数据和拷贝数据。等待数据,就是系统内核在等待网卡接收到数据后,把数据写到内核中;而拷贝数据,就是系统内核在获取到数据后,将数据拷贝到用户进程的空间中。以下是具体流程:

应用进程的每一次写操作,都会把数据写到用户空间的缓冲区中,再由 CPU 将数据拷贝到系统内核的缓冲区中,之后再由 DMA 将这份数据拷贝到网卡中,最后由网卡发送出去。这里我们可以看到,一次写操作数据要拷贝两次才能通过网卡发送出去,而用户进程的读操作则是将整个流程反过来,数据同样会拷贝两次才能让应用程序读取到数据。

应用进程的一次完整的读写操作,都需要在用户空间与内核空间中来回拷贝,并且每一次拷贝,都需要 CPU 进行一次上下文切换(由用户进程切换到系统内核,或由系统内核切换到用户进程)。而零拷贝技术就是取消用户空间与内核空间之间的数据拷贝操作,应用进程每一次的读写操作,都可以通过一种方式,让应用进程向用户空间写入或者读取数据,就如同直接向内核空间写入或者读取数据一样,再通过 DMA 将内核中的数据拷贝到网卡,或将网卡中的数据 copy 到内核。

那怎么做到零拷贝?是不是用户空间与内核空间都将数据写到一个地方,就没有了数据拷贝。

零拷贝有两种解决方式,分别是 mmap+write 方式和 sendfile 方式,mmap+write 方式的核心原理就是通过虚拟内存来解决的。

Netty 中的零拷贝

刚才我讲的零拷贝是操作系统层面上的零拷贝,主要目标是避免用户空间与内核空间之间的数据拷贝操作,可以提升 CPU 的利用率。

而 Netty 的零拷贝则不大一样,他完全站在了用户空间上,也就是 JVM 上,它的零拷贝主要是偏向于数据操作的优化上。

上一文降到,在传输过程中,RPC 并不会把请求参数的所有二进制数据整体一下子发送到对端机器上,中间可能会拆分成好几个数据包,也可能会合并其他请求的数据包,所以消息都需要有边界。那么一端的机器收到消息之后,就需要对数据包进行处理,根据边界对数据包进行分割和合并,最终获得一条完整的消息。

那收到消息后,对数据包的分割和合并,是在用户空间完成,还是在内核空间完成的呢?

当然是在用户空间,因为对数据包的处理工作都是由应用程序来处理的,那么这里有没有可能存在数据的拷贝操作?可能会存在,当然不是在用户空间与内核空间之间的拷贝,是用户空间内部内存中的拷贝处理操作。Netty 的零拷贝就是为了解决这个问题,在用户空间对数据操作进行优化。

那么 Netty 是怎么对数据操作进行优化的呢?

  • Netty 提供了 CompositeByteBuf 类,它可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf,避免了各个 ByteBuf 之间的拷贝。
  • ByteBuf 支持 slice 操作,因此可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的 ByteBuf,避免了内存的拷贝。
  • 通过 wrap 操作,我们可以将 byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer 等包装成一个 Netty ByteBuf 对象, 进而避免拷贝操作。

Netty 框架中很多内部的 ChannelHandler 实现类,都是通过 CompositeByteBuf、slice、wrap 操作来处理 TCP 传输中的拆包与粘包问题的。

那么 Netty 有没有解决用户空间与内核空间之间的数据拷贝问题的方法呢?

Netty 的 ByteBuffer 可以采用 Direct Buffers,使用堆外直接内存进行 Socket 的读写操作,最终的效果与我刚才讲解的虚拟内存所实现的效果是一样的。

Netty 还提供 FileRegion 中包装 NIO 的 FileChannel.transferTo() 方法实现了零拷贝,这与 Linux 中的 sendfile 方式在原理上也是一样的。

本地方法调用

我们如何实现调用远程服务方法像调用本地方法一样,在设计模式中,代理模式可以为我们的接口或者类实现方法增强。而Java提供的动态代理方式,可以让我们在RPC对本地接口进行代理,添加远程调用所需要的对象序列化,RPC协议包装,网络通信等功能,在调用端感知即只是本地的接口方法调用。

整体流程如下图所示:

动态代理

在Java中Proxy类和InvocationHandler实现动态代理,我们还有很多其他的第三方框架也可以,比如像 Javassist、Byte Buddy 这样的框架。

JDK 默认的代理功能是有一定的局限性的,它要求被代理的类只能是接口。原因是因为生成的代理类会继承 Proxy 类,但 Java 是不支持多重继承的。另外最大的问题就是性能问题。它生成后的代理类是使用反射来完成方法调用的,而这种方式相对直接用编码调用来说,性能会降低,但好在 JDK8 及以上版本对反射调用的性能有很大的提升。

相对 JDK 自带的代理功能,Javassist 的定位是能够操纵底层字节码,所以使用起来并不简单,要生成动态代理类恐怕是有点复杂了。但好的方面是,通过 Javassist 生成字节码,不需要通过反射完成方法调用,所以性能肯定是更胜一筹的。在使用中,我们要注意一个问题,通过 Javassist 生成一个代理类后,此 CtClass 对象会被冻结起来,不允许再修改;否则,再次生成时会报错。

具体关于动态代理网上学习资料很多,这里不做过多赘述。

Author: weibingo
Link: https://wbice.cn/article/PRC核心原理二.html
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