Java NIO编程理论基础篇——Java I/O的发展以及linux网络I/O模型

该篇文章的内容和图片参考李林锋先生的《Netty权威指南》

Java I/O发展概述：

Java在jdk1.4之前，Java对I/O的支持并不完善，以致在进行高性能服务端开发时难度较大，导致高性能服务端领域长时间被C++和C占据。这些问题主要是：

没有数据缓冲区，性能较低；
没有C或者C++中的Channel概念，只有输入输出流；
同步阻塞式I/O通信，可能导致线程长时间阻塞；
支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

在jdk1.4中新增了java.nio包，提供了进行异步I/O开发的API和类库，主要的类和接口如下：

进行异步I/O操作的缓冲区XXXBuffer；
进行异步I/O操作的管道Pipe；
进行各种I/O操作的Channel；
多种字符集的编解码能力；
实现非阻塞I/O操作的多路复用器selector；
基于流行的Perl实现的正则表达式类库；
文件通道FileChannel。

极大的促进了异步非阻塞编程的发展和应用，但是在文件系统的处理能力仍显不足，在jdk1.7发布后，nio升级为nio2.0，进行了如下改进：

提供能够批量获取文件属性的API，这些API具有平台无关性，不与特性的文件系统相耦合，并且提供了标准文件系统SPI，供各个服务提供商扩展实现；
提供AIO功能，支持基于异步I/O操作和针对网络套接字的异步操作；
完成通道功能，包括对配置和多薄数据报的支持等。

Linux网络I/O模型

Linux内核将所有外部设备作为一个文件进行处理，对每个文件的读写操作都会调用内核提供的系统命令，返回一个文件描述符fd(file descripter)，而对于一个socket的读写也有相应的描述符，称为socket描述符socketfd，描述符就是一个数字，它指向内核中的一个结构体（文件路径，数据区等一些属性）。 根据UNIX网络编程对I/O模型的分类，共提供了5中I/O模型，如下： 【我们使用系统调用recvfrom函数进行举例，recvfrom的功能是从（已连接）套接口上接收数据，并捕获数据发送源的地址】
1.阻塞I/O模型： 一开始学Java基础时就是使用的阻塞I/O模型，在缺省情况下（系统命令有相应的参数可以设置，这里不多赘述），所有文件操作都是阻塞的。在调用系统命令后，需要准备的数据到达之后再去执行操作，在等待数据的期间需要一直等待。如图：

2.非阻塞I/O模型：
recvfrom从应用层到内核的时候，如果该缓冲区没有数据，直接返回一个EWOULDBLOCK错误，并以轮询的方式查看缓冲区中是否有准备好的数据。如图：

3.I/O复用模型：
linux提供了三组I/O复用系统：select/poll/epoll。
select/poll方式：进程通过fd传递给select/poll系统调用，阻塞在select上，这样select/poll就可以帮我们监听多个fd是否处于就绪状态，select/poll是顺序扫描fd是否就绪，且支持的fd有限，因此它的使用受到了一定的制约；
epoll方式：使用基于事件驱动的方式进行扫描，当有fd就绪时，立即回调函数rollback，因此性能更高。epoll相对于select/poll还有以下改进：
1)支持一个进程打开的socket描述符不受限制，上限是操作系统的最大文件句柄数，比如一个1GB的机器上大约是10万个左右句柄，具体的值可以通过cat/proc/sys/fs/file-max查看，通常与内存大小相关（我的个人pc结果是1099093）；
2)I/O效率不会随着FD数目的增加而线性下降 ，epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的，而非先行扫描，对于“活跃”的socket才会主动调用callback函数，从而在大量空闲socket接入后不会导致明显性能下降。
3)使用mmap加速内核与用户空间的消息传递 ，无论是select/poll/epoll都需要内核把fd消息通知给用户空间，epoll通过内核和用户空间mmap使用同一块内存实现避免不必要的内存复制。
4)epoll的API更加简单
如图：

NIO的核心类库中的选择器Selector就是基于epoll实现的，I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。I/O多路复用最大的优点就是系统开销小，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省系统资源。I/O多路复用主要使用场所：

服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字；
服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。

4.信号驱动I/O模型：
首先开启套接口信号驱动I/O功能，并通过系统调用sigaction至i先嗯一个信号处理函数。当准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知应用程序调用recvfrom来读取数据并通知主函数处理数据。如图：

5.异步I/O模型：
告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们（包括将数据从内核复制到用户自己的缓冲区），信号驱动和异步的区别在于：信号驱动由内核同志我们何时可以开始一个I/O操作，而异步模型通知我们何时操作已经完成。如图：

在对各种I/O模型有了一定了解的知识基础之后，就可以开始进一步的学习啦！
如果对Linux网络编程或者I/O多路复用想有更多的了解可以参考小伙伴的博客：
I/O多路复用之select
I/O多路复用之poll
I/O多路复用之epoll
I/O多路复用之比较select&poll&epoll