Linux网络IO模型及JAVA中IO模型

1.概述

在jdk1.4之前JAVA只有同步阻塞IO，在jdk1.4版本更新同步非阻塞的NIO，在jdk1.7又更新了异步的NIO2.0，本文将简单介绍下Linux有哪些网络IO模型，以及JAVA中的IO所对应的网络IO模型。
理解本文之前需要先知道一个概念：用户空间与内核空间，即对于一次IO操作，会先将数据拷贝到系统内核缓冲区，然后从内核缓冲区拷贝到用户空间的程序缓冲区。
recvfrom函数：此函数主要用于Linux内核从指定socket接收数据包并存储到内核缓冲区，可以用在已经建立连接的socket，也可以用在没有建立连接的socket。

2.Linux网络IO模型

Linu内核将所有外部设备都看做是文件操作。对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，返回一个file descriptor（fd，文件描述符），可以理解为fd是内核为文件创建的索引。而对socket的读写也会有相应的描述符，称为socketfd（socket 描述符），描述符就是一个数字，它指向内核中的一个结构体。Linux根据分类，提供了5种IO模型，如下：

2.1.阻塞IO模型

阻塞模型的IO请求过程如下：

1. 进程调用recvfrom函数并等待数据包到达（进程阻塞等待）
2. 数据包从内核被复制到进程的缓冲区或者发生错误返回（进程阻塞等待）

整个过程进程都处于被阻塞状态，故被称为阻塞IO。
默认情况下，所有的文件操作都是阻塞的。

2.2.非阻塞IO模型

非阻塞模型的IO请求过程如下：

1. 进程调用recvfrom函数如果没有数据包，直接返回EWOULDBLOCK错误
2. 轮训（1）过程
3. 数据包从内核被复制到进程的缓冲区（进程阻塞等待）

2.3.IO复用模型

I/O多路复用就是通过一种机制，使一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。Linux提供了三种方式：select、poll、epoll

2.3.1.select

IO请求过程如下：

1. 进程发起select调用，select遍历所有fd，监测fd状态（进程阻塞在select）
2. fd读/写就绪时，通知进程读/写条件，进程发起recvfrom
3. 数据包从内核被复制到进程的缓冲区（进程阻塞等待）

select特点：

• select目前几乎在所有的平台上支持，跨平台支持比较好。
• select是顺序扫描fd，而且单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定义甚至重新编译内核的方式提升这一限制，但是这样也会造成效率的降低。
• select机制中提供了一种fd_set的数据结构，实际上是一个long数组。select使用了三个位图来表示三个fdset的方式.

2.3.2.poll

poll和select的实现基本是一致，只是数据传递格式不太一样。 与select函数一样，poll也是通过顺序轮训所有fd来获取就绪的描述符，如果存在大量的非活跃状态的fd，则轮训过程也浪费了一定的开销。

2.3.3.epoll

epoll是在2.6内核中提出的。
epoll特点：

• 相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。
• epoll采用基于事件的就绪通知方式，一旦某个fd就绪，则采用callback方式通知进程。
• epoll不用轮训所有的fd，epoll每次只遍历活跃的fd，因此在活跃的fd较少的情况下很有优势，如果大量的fd都处于活跃状态，则epoll的效率可能不如select或poll。

2.4.信号驱动IO模型

请求过程如下：

1. 开启信号驱动IO功能，调用sigaction执行一个信号处理函数，并立即返回
2. 内核收到数据包则生成一个sigio信号通知进程
3. 进程收到sigio信号后，调用recvfrom函数
4. 数据包从内核被复制到进程的缓冲区（进程阻塞等待）

2.5.异步IO

请求过程：

1. 进程发起IO操作，通知内核并立即返回
2. 内核收到数据包后生成一个sigio信号通知进程
3. 内核数据包从内核被复制到进程的缓冲区并通知进程

3.JAVA中IO模型

JDK1.4之前使用的都是同步阻塞的BIO（阻塞IO模型）。
JDK1.4发布的NIO特点：

• IO模型使用的是LInux的多路复用IO模型中的epoll
• 引入了缓冲区ByteBuffer、管道Pipe、通道Channel、文件通道FileChannel、多种字符集编解码、基于Perl实现的正则表达式类库等。

JDK1.7对NIO进行了升级更新，称为NIO2.0，特点如下：

• 提供了标准文件系统的SPI。
• 能够批量获取文件属性的API。
• 提供AIO，支持基于文件和socket的异步IO操作。