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聊聊IOCP,聊聊異步程式設計

前言

IO完成端口(IO completion ports)在多核計算機的并行異步IO請求方面提供了一種高效的線程模型。當程序建立一個IO完成端口時,系統建立一個相關聯的隊列,其唯一目的是服務與那些請求。IO完成端口通常和預先配置設定的線程池配合,相比于一個一個建立線程,這使其更快更高效。IOCP在程序之間并不共享,一個IOCP及其句柄隻和建立它的程序關聯,但是一個程序中的多個線程可共享。IOCP最關鍵的地方就是,IOCP在IO請求和接收動作完成之後,激活線程池中的任意線程繼續操作,而不是在IO請求和接受完成之後,激活原等待中的線程。這樣的好處是防止等待線程閑置,和必須激活/切換到原等待線程的開銷。

大多應用存在的問題

曾見過很多服務,幾台,幾十台,幾百台伺服器的,它們cpu大多數時間處于空閑狀态,也許需要大量計算的應用并沒有那麼多,我們常見的應用大多主要讀寫關系資料庫,讀寫記憶體資料庫/緩存,RPC調用接口。IO耗時過多,CPU大量閑置,導緻沒看到伺服器資源大量消耗,便已不能承受日益增加的通路量,再加伺服器,依然大量浪費了資源。 CPU資源昂貴,每一個核心,同一時刻隻能有一個線程在運作,超線程cpu同一時刻可以有兩個邏輯線程運作,是以說線程不是建立的越多越好,過多的線程隻會增加線程切換帶來的成本。試想一下,如果應用線程池的線程,都在同步等待IO操作的結束,線程池中也就沒有空閑線程繼續處理請求,是以線程池會繼續建立線程以提供服務。惡性循環,則會帶來線程過多的成本,好線上程池不會讓這樣的事發生。那麼到達伺服器無法處理更多請求的程度時,http 503便出現了。

windows下使用IOCP

異步IO在于線程非阻塞,提高CPU使用率,增加伺服器吞吐量,助我們承受更大的并發。在windows下使用IOCP,可以直接使用C#異步程式設計await/async。雖然C#可以直接操作win32API,但.NET平台已提供好異步IO的操作封裝,隻需要簡單的文法,即可完成異步磁盤IO,異步HTTP請求,異步SOCKET,基于.NET架構現有的條件,也很容易做關系資料庫,redis,ElasticSearch,mongodb的異步讀寫。是以推薦在windows下的IO盡可能使用IOCP。IOCP本質上解決的問題就是CPU和IO速度極大的不對等。

基于IOCP的異步程式設計線程行為證明

簡單寫了個API接口,用于證明在異步IO操作的時候,線程并不阻塞等待IO結束,而是将請求交給驅動後傳回線程池,繼續工作。

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圖中代碼操作是先記錄目前請求進行中的線程ID,然後請求一個10s傳回的網絡接口。用http用戶端并發請求圖中該接口後,我們稍後給出線程行為的結論。 我們都知道,如果說服務端線程是IO阻塞的,第一次請求,如果記錄了線程ID為1,那麼在10s内,該線程一直在阻塞等待,是以10s内不會再出現該線程ID被記錄到日志中。 事實上結論是:

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可以看到在同一秒甚至同一毫秒内,一個線程同時處理了多次http請求。另外可以确定的一個事實是,IO前和IO後,線程可能是不一樣的,也可能是一樣的。

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