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应用层网络编程范式

news 2025/6/30 18:40:46

前言

在不考虑内核层的情况下，选用Linux底层支持的posix API和网络协议栈。对于应用层网络编程方案总结如下。其中主要针对两个角度：IO模型、编程模型。其中IO模型可参考Linux下IO模型，一般分为五种：阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO、IO多路复用、异步IO。编程模型分为两种：同步编程、异步编程。其中对于IO模型不再赘述，对于编程模型而言，同步编程更好理解，开发效率更高。异步编程实现方式一般两种：线程池、回调函数。优点是为了提高效率，缺点也很明显开发时如果选用线程池则会带来开销，而回调函数在开发时难理解，且开发难度大，容易陷入“回调地狱”。针对上述两个角度介绍以下内容：

一、常用范式

线程池 + 阻塞 I/O（BIO）
Reactor + epoll（同步非阻塞IO + 回调）
原生io_uring + 回调
协程（封装底层同步非阻塞I/O或异步I/O）

二、介绍

1. 线程池 + 阻塞 I/O (BIO)

I/O 模型：同步阻塞 I/O
编程模型：同步（每个线程顺序执行阻塞操作）
工作机制：
- 主线程 accept 连接，分发给 Worker 线程池。
- 每个 Worker 线程阻塞在 read/write 上，处理单一连接。
适用场景：低并发、CPU 密集型任务，或兼容性要求高的简单服务。
性能瓶颈：线程数 ≈ 并发连接数，上下文切换开销大，无法应对高并发。

2. Reactor + epoll（同步非阻塞 I/O + 回调）

I/O 模型：同步非阻塞 I/O
编程模型：异步（事件驱动 + 回调函数或状态机）
工作机制：
- 单线程（或少量线程）运行事件循环，调用 epoll_wait 监听 I/O 就绪事件。
- 事件就绪后，触发注册的回调函数处理数据（需主动调用非阻塞的 read/write）。
优势：高并发支持（单线程处理万级连接）。
缺点：回调地狱（Callback Hell），逻辑碎片化。
代表：Netty (Java)、libevent (C)、Tornado (Python)

3. 原生 io_uring 的异步 I/O

I/O 模型：异步 I/O (AIO)
编程模型：异步（回调或 Future/Promise）
工作机制：
- 提交 I/O 请求（如 read/write）到内核队列（SQ），立即返回。
- 内核完成操作后，将结果放入完成队列（CQ），应用异步收割结果。
- 无需应用再次发起数据拷贝调用（区别于 epoll）。
优势：零拷贝、批处理、更低延迟（避免二次系统调用）。
代表：Tokio（Rust, 可选后端）、liburing (C)

4. 协程（封装底层同步非阻塞I/O或异步I/O）

I/O 模型：
- 底层为 epoll → 同步非阻塞 I/O
- 底层为 io_uring → 异步 I/O
编程模型：同步风格写异步代码
工作机制：
- 协程在 I/O 等待时挂起（Yield），由调度器切换到其他就绪协程。
- 底层仍依赖事件循环（epoll 或 io_uring）。
优势：开发体验极佳（无回调地狱）、天然支持多核调度。
代表：
- epoll 后端：Goroutine (Go)、asyncio (Python)
- io_uring 后端：Tokio (Rust)、Glommio (Rust)