為什么網絡 I/O 會被阻塞？

作者：是Yes呀 2021-10-13 06:49:15

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最近打算輸出 Netty 相關的文章，但要深入學習 Netty 這個底層通信框架，網絡相關知識點不可或缺。所以我打算先寫一些前置知識點，對齊一下認識，便于之后對 Netty 的理解。

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本文轉載自微信公眾號「yes的練級攻略」，作者是Yes呀。轉載本文請聯系yes的練級攻略公眾號。

你好，我是yes。

我們應該都知道 socket(套接字)，你可以認為我們的通信都要基于這個玩意，而常說的網絡通信又分為 TCP 與 UDP 兩種，下面我會以 TCP 通信為例來闡述下 socket 的通信流程。

不過在此之前，我先來說說什么叫 I/O。

I/O到底是什么?

I/O 其實就是 input 和 output 的縮寫，即輸入/輸出。

那輸入輸出啥呢?

比如我們用鍵盤來敲代碼其實就是輸入，那顯示器顯示圖案就是輸出，這其實就是 I/O。

而我們時常關心的磁盤 I/O 指的是硬盤和內存之間的輸入輸出。

讀取本地文件的時候，要將磁盤的數據拷貝到內存中，修改本地文件的時候，需要把修改后的數據拷貝到磁盤中。

網絡 I/O 指的是網卡與內存之間的輸入輸出。

當網絡上的數據到來時，網卡需要將數據拷貝到內存中。當要發送數據給網絡上的其他人時，需要將數據從內存拷貝到網卡里。

那為什么都要跟內存交互呢?

我們的指令最終是由 CPU 執行的，究其原因是 CPU 與內存交互的速度遠高于 CPU 和這些外部設備直接交互的速度。

因此都是和內存交互，當然假設沒有內存，讓 CPU 直接和外部設備交互，那也算 I/O。

總結下：I/O 就是指內存與外部設備之間的交互(數據拷貝)。

好了，明確什么是 I/O 之后，讓我們來揭一揭 socket 通信內幕~

創建 socket

首先服務端需要先創建一個 socket。在 Linux 中一切都是文件，那么創建的 socket 也是文件，每個文件都有一個整型的文件描述符(fd)來指代這個文件。

int socket(int domain, int type, int protocol);

domain：這個參數用于選擇通信的協議族，比如選擇 IPv4 通信，還是 IPv6 通信等等
type：選擇套接字類型，可選字節流套接字、數據報套接字等等。
protocol：指定使用的協議。

這個 protocol 通常可以設為 0 ，因為由前面兩個參數可以推斷出所要使用的協議。

比如socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);，表明使用 IPv4 ，且使用字節流套接字，可以判斷使用的協議為 TCP 協議。

這個方法的返回值為 int ，其實就是創建的 socket 的 fd。

bind

現在我們已經創建了一個 socket，但現在還沒有地址指向這個 socket。

眾所周知，服務器應用需要指明 IP 和端口，這樣客戶端才好找上門來要服務，所以此時我們需要指定一個地址和端口來與這個 socket 綁定一下。

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

參數里的 sockfd 就是我們創建的 socket 的文件描述符，執行了 bind 參數之后我們的 socket 距離可以被訪問又更近了一步。

listen

執行了 socket、bind 之后，此時的 socket 還處于 closed 的狀態，也就是不對外監聽的，然后我們需要調用 listen 方法，讓 socket 進入被動監聽狀態，這樣的 socket 才能夠監聽到客戶端的連接請求。

int listen(int sockfd, int backlog);

傳入創建的 socket 的 fd，并且指明一下 backlog 的大小。

這個 backlog 我查閱資料的時候，看到了三種解釋：

socket 有一個隊列，同時存放已完成的連接和半連接，backlog為這個隊列的大小。
socket 有兩個隊列，分別為已完成的連接隊列和半連接隊列，backlog為這個兩個隊列的大小之和。
socket 有兩個隊列，分別為已完成的連接隊列和半連接隊列，backlog僅為已完成的連接隊列大小。

解釋下什么叫半連接

我們都知道 TCP 建立連接需要三次握手，當接收方收到請求方的建連請求后會返回 ack，此時這個連接在接收方就處于半連接狀態，當接收方再收到請求方的 ack 時，這個連接就處于已完成狀態：

所以上面討論的就是這兩種狀態的連接的存放問題。

我查閱資料看到，基于 BSD 派生的系統的實現是使用的一個隊列來同時存放這兩種狀態的連接， backlog 參數即為這個隊列的大小。

而 Linux 則使用兩個隊列分別存儲已完成連接和半連接，且 backlog 僅為已完成連接的隊列大小

accept

現在我們已經初始化好監聽套接字了，此時會有客戶端連上來，然后我們需要處理這些已經完成建連的連接。

從上面的分析我們可以得知，三次握手完成后的連接會被加入到已完成連接隊列中去。

這時候，我們就需要從已完成連接隊列中拿到連接進行處理，這個拿取動作就由 accpet 來完成。

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

這個方法返回的 int 值就是拿到的已完成連接的 socket 的文件描述符，之后操作這個 socket 就可以進行通信了。

如果已完成連接隊列沒有連接可以取，那么調用 accept 的線程會阻塞等待。

至此服務端的通信流程暫告一段落，我們再看看客戶端的操作。

connect

客戶端也需要創建一個 socket，也就是調用 socket()，這里就不贅述了，我們直接開始建連操作。

客戶端需要與服務端建立連接，在 TCP 協議下開始經典的三次握手操作，再看一下上面畫的圖：

客戶端創建完 socket 并調用 connect 之后，連接就處于 SYN_SEND 狀態，當收到服務端的 SYN+ACK 之后，連接就變為 ESTABLISHED 狀態，此時就代表三次握手完畢。

int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

調用connect需要指定遠程的地址和端口進行建連，三次握手完畢之后就可以開始通信了。

客戶端這邊不需要調用 bind 操作，默認會選擇源 IP 和隨機端口。

用一幅圖來小結一下建連的操作：

可以看到這里的兩個阻塞點：

connect：需要阻塞等待三次握手的完成。
accept：需要等待可用的已完成的連接，如果已完成連接隊列為空，則被阻塞。

read、write

連接建立成功之后，就能開始發送和接收消息了，我們來看一下

read 為讀數據，從服務端來看就是等待客戶端的請求，如果客戶端不發請求，那么調用 read 會處于阻塞等待狀態，沒有數據可以讀，這個應該很好理解。

write 為寫數據，一般而言服務端接受客戶端的請求之后，會進行一些邏輯處理，然后再把結果返回給客戶端，這個寫入也可能會被阻塞。

這里可能有人就會問 read 讀不到數據阻塞等待可以理解，write 為什么還要阻塞，有數據不就直接發了嗎?

因為我們用的是 TCP 協議，TCP 協議需要保證數據可靠地、有序地傳輸，并且給予端與端之間的流量控制。

所以說發送不是直接發出去，它有個發送緩沖區，我們需要把數據先拷貝到 TCP 的發送緩沖區，由 TCP 自行控制發送的時間和邏輯，有可能還有重傳什么的。

如果我們發的過快，導致接收方處理不過來，那么接收方就會通過 TCP 協議告知：別發了!忙不過來了。發送緩存區是有大小限制的，由于無法發送，還不斷調用 write 那么緩存區就滿了，滿了就不然你 write 了，所以 write 也會發生阻塞。