《netty实战》读书笔记一---selector、reactor模型、NIO与零拷贝

首先先自己熟悉一下selector、epoll、NIO编程、reactor模型

I/O 模型基本说明 I/O 模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能

Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO

1. Java BIO ： 同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销
   BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。
2. Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理
   NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
3. Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用
   AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

4. HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。

Selector

Channel注册到Selector，Selector能够检测到Channel是否有事件发生。

如果有事件发生，则进行相应的处理。这样可以实现一个线程管理多个Channel（即多个连接和请求）只有通道真正有读写事件发生时，才会进行读写。

减少了创建的线程数，降低了系统开销，减少了上下文的切换，用户态和系统态的切换

以ServerSocketChannel为例说明：

1. 当有客户端连接时，ServerSocketChannel会返回一个SocketChannel
2. SocketChannel注册到Selector。（register方法）
3. register方法会返回一个SelectionKey，SelectionKey与Channel关联
4. Selector监听select方法，返回有事件的个数
5. 进一步得到SelectionKey
6. 通过SelectionKey获取SocketChannel（SelectionKey中的channel方法）
7. 通过获取的channel，执行业务处理

reactor模型

IO复用解释：I/O复用就是单个线程通过记录跟踪每一个Sock(I/O流)的状态来同时管理多个I/O流.

这个作者我感觉讲的很好，最起码是他自己的理解：IO复用

线程模型基本介绍：

传统阻塞 I/O 服务模型

1. 采用阻塞IO模式获取输入的数据
2. 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理, 数据返回
3. 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
4. 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程 会阻塞在read 操作，造成线程资源浪费

Reactor 模式中 核心组成：

1. Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
2. Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

Reactor 模式

1. 单 Reactor 单线程

Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求

Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发

果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理

如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应

Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成

缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈

缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障

使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

1. 单 Reactor 多线程

Reactor 对象通过select 监控客户端请求 事件, 收到事件后，通过dispatch进行分发

如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件

如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理

handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务

worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler

handler收到响应后，通过send 将结果返回给client

优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力

缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行， 在高并发场景容易出现性能瓶颈.

1. 主从 Reactor 多线程

Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收到事件后，通过Acceptor 处理连接事件

当 Acceptor  处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给SubReactor 

subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理

当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理

handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理

worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果

handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返回给client

Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor

优点：父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。

优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。

缺点：编程复杂度较高

这种模型在许多项目中广泛使用，包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型，Memcached 主从多线程，Netty 主从多线程模型的支持

Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)

1. 基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理
2. 基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。
3. I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想
4. Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)
5. 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式
6. Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的

可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销

扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源

复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

NIO与零拷贝：

传统IO：

 

mmap优化：

mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数。如下图

 

sendFile优化：

Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

提示：零拷贝从操作系统角度，是没有cpu 拷贝

 

Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图和小结： 这里其实有 一次cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer 但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略

我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据）。 零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

mmap 和 sendFile 的区别

1.mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。

2.mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。

3.sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。