RPC实战与核心原理——网络通信（笔记）

RPC 是解决进程间通信的一种方式。一次 RPC 调用，本质就是服务消费者与服务提供者间的一次网络信息交换的过程。服务调用者通过网络 IO发送一条请求消息，服务提供者接收并解析，处理完相关的业务逻辑之后，再发送一条响应消息给服务调用者，服务调用者接收并解析响应消息，处理完相关的响应逻辑，一次RPC 调用便结束了。可以说，网络通信是整个 RPC 调用流程的基础。

常见的网络IO模型

同步IO

• 同步阻塞 IO（BIO）
• 同步非阻塞 IO（NIO）
• IO 多路复

异步IO

• 用和异步非阻塞 IO（AIO）

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

（1）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；
（2）内核开始等待数据，等待到数据；
（3）将内核中的数据拷贝到用户内存中；
（4）整个 IO 处理完毕后返回进程；
（5）应用的进程解除阻塞状态，运行业务逻辑。
特点：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

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。

什么是多路复用

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。

相对于同步堵塞模型的优势

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。

为什么阻塞IO和IO多路复用最为常用

在系统内核的支持上，现在大多数系统内核都会支持阻塞 IO、非阻塞 IO 和 IO 多路复用，但像信号驱动 IO、异步 IO，只有高版本的 Linux 系统内核才会支持；在编程语言上，在高性能的网络编程框架的编写上，大多数都是基
于 Reactor 模式，而 Reactor 模式是基于 IO多路复用的。

RPC框架在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；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。
在 RPC 框架的实现中，在网络通信的处理上，选择 IO 多路复用的方式较多。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，在 Linux 环境下，也要开启 epoll 来提升系统性能（Windows 环境下是无法开启 epoll 的，因为系统内核不支持）。

零拷贝

背景

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），很浪费CPU

概念

零拷贝：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，可以通过一种方式，直接将数据写入内核或从内核中读取数据，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。

实现方式

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

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