《Netty权威指南》第一章-Java 的 IO 演进之路

1.1 I/O 基础入门

JDK 1.4 之前

• 没有数据缓冲区，I/O性能存在问题
• 没有C或者C++中的Channel概念，只有输入和输出流；
• 同步阻塞式I/O通信（BIO），通常会导致通信线程被长时间阻塞；
• 支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

1.1.1 Linux 网络 I/O 模型简介

文件描述符（lile description,fd）

Linux 内核将所有外部设备看出文件夹，对文件的操作会返回一个描述符。描述符是一个数字，指向内核中的一个结构体（文件路径、数据去等属性）。

socket 描述符（socketfd）：对 socket 的读写。

5 种 I/O 模型

1. 阻塞 I/O模型：阻塞等待调用结果
2. 非阻塞 I/O 模型：轮询检查调用结果
3. I/O 复用模型：
   • select/pool：阻塞在 select 上，顺序扫描 fd 是否就绪，支持数量有限 1024
   • epool：基于事件驱动，fd 就绪触发回调函数
4. 信号驱动 I/O 模型：通知 I/O 操作可以开始
5. 异步 I/O：通知 I/O 操作完成

1.2.2 I/O 多路复用技术

场景

• 服务器同时处理多个处于监听或连接状态的套接字
• 服务器同时处理多种网络协议的套接字

方案演进

• 使用多线程：每个连接对应一个线程
• I/O 多路复用：多个 I/O 阻塞到同一个 select 上
  • 使用 epoll，改进 select
  • 一个进程打开的 socket 描述符仅受限于操作系统的最大文件句柄数
  • I/O 效率稳定，不随着 FD 数目增加而线性下降
  • 使用 mmap 加速内核与用户空间消息传递，内核与用户空间 mmap 同一块内存
  • epoll 设计更简单的 API

1.2 Java 的 I/O 演进

BIO,JDK1.0-1.3

• 没有数据缓冲区，I/O性能存在问题
• 没有C或者C++中的Channel概念，只有输入和输出流；
• 同步阻塞式I/O通信（BIO），通常会导致通信线程被长时间阻塞；
• 支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

BIO,JDK1.4

提供新功能

• 进行异步I/O操作的缓冲区ByteBuffer等
• 进行异步I/O操作的管道Pipe
• 进行各种I/O操作（异步或者同步）的Channel，包括ServerSocketChannel和SocketChannel
• 多种字符集的编码能力和解码能力
• 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

缺陷

• 没有统一的文件属性（例如读写权限）
• API能力比较弱，例如目录的级联创建和递归遍历，往往需要自己实现
• 底层存储系统的一些高级API无法使用
• 所有的文件操作都是同步阻塞调用，不支持异步文件读写操作

NIO2,JDK7

• 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，另外它还提供了标准文件系统的SPI，供各个服务提供商扩展实现
• 提供AIO功能，支持基于文件的异步I/O操作和针对网络套接字的异步操作
• 完成JSR-51定义的通道功能，包括对配置和多播数据报的支持等

1.3 总结

本章首先介绍了 UNIX 网络编程的 5 种 I/O 模型；然后简述了 I/O 多路复用技术，重点阐述了支持多路复用的 epool 对 select 的改进；最后介绍了 Java 的 I/O 演进历史，让我们对每种 I/O 的优缺点有了大致了解。