Netty权威指南读书笔记1：Java的I/O演进之路

linux网络I/O模型简介

1.1 用户空间以及内核空间概念
针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

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有了用户空间和内核空间，整个linux内部结构可以分为三部分，从最底层到最上层依次是：硬件-->内核空间-->用户空间。
我们都知道，为了OS的安全性等的考虑，进程是无法直接操作I/O设备的，其必须通过系统调用请求内核来协助完成I/O动作，而内核会为每个I/O设备维护一个buffer。

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整个请求过程为： 用户进程发起请求，内核接受到请求后，从I/O设备中获取数据到buffer中，再将buffer中的数据copy到用户进程的地址空间，该用户进程获取到数据后再响应客户端。

• 在整个请求过程中，数据输入至buffer需要时间，而从buffer复制数据至进程也需要时间。因此根据在这两段时间内等待方式的不同，I/O动作可以分为以下五种模式：

  • 阻塞I/O (Blocking I/O)

  • 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

  • I/O复用（I/O Multiplexing)

  • 信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

  • 异步I/O (Asynchrnous I/O)

2.1 阻塞I/O (Blocking I/O)

  在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

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  当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，内核就开始了IO的第一个阶段：等待数据准备。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候内核就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当内核一直等到数据准备好了，它就会将数据从内核中拷贝到用户内存，然后内核返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。 所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。（整个过程一直是阻塞的）

2.2 非阻塞I/O (Non-Blocking I/O)

  linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

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  当用户进程调用recvfrom时，系统不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个ewouldblock错误，从用户进程角度讲 ，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果（这个结果就是ewouldblock ）。用户进程判断标志是ewouldblock时，就知道数据还没准备好，于是它就可以去做其他的事了，于是它可以再次发送recvfrom，一旦内核中的数据准备好了。并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。 当一个应用程序在一个循环里对一个非阻塞调用recvfrom，我们称为轮询。应用程序不断轮询内核，看看是否已经准备好了某些操作。这通常是浪费CPU时间，但这种模式偶尔会遇到。

2.3 I/O复用（I/O Multiplexing)

  IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

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  当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，内核会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从内核拷贝到用户进程。 这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。） 在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

文件描述符fd

Linux的内核将所有外部设备都可以看做一个文件来操作。那么我们对与外部设备的操作都可以看做对文件进行操作。我们对一个文件的读写，都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个filede scriptor（fd,文件描述符）。而对一个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，指向内核中一个结构体（文件路径，数据区，等一些属性）。那么我们的应用程序对文件的读写就通过对描述符的读写完成。

select

基本原理：select 函数监视的文件描述符分3类，分别是writefds、readfds、和exceptfds。调用后select函数会阻塞，直到有描述符就绪（有数据 可读、可写、或者有except），或者超时（timeout指定等待时间，如果立即返回设为null即可），函数返回。当select函数返回后，可以通过遍历fdset，来找到就绪的描述符。

缺点: 1、select最大的缺陷就是单个进程所打开的FD是有一定限制的，它由FDSETSIZE设置，32位机默认是1024个，64位机默认是2048。 一般来说这个数目和系统内存关系很大，”具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看”。32位机默认是1024个。64位机默认是2048. 2、对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低。 当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FDSETSIZE个Socket来完成调度，不管哪个Socket是活跃的，都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。”如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询”，这正是epoll与kqueue做的。 3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。

poll

基本原理：poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态，如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历，如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备，则挂起当前进程，直到设备就绪或者主动超时，被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的，但是同样有一个缺点：1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间，而不管这样的复制是不是有意义。 2 、poll还有一个特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次poll时会再次报告该fd。

注意：从上面看，select和poll都需要在返回后，通过遍历文件描述符来获取已经就绪的socket。事实上，同时连接的大量客户端在一时刻可能只有很少的处于就绪状态，因此随着监视的描述符数量的增长，其效率也会线性下降。

epoll(事件驱动）

epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

基本原理：epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epollctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epollwait便可以收到通知。

epoll的优点：1、没有最大并发连接的限制，能打开的FD的上限远大于1024（1G的内存上能监听约10万个端口）。 2、效率提升，不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降。 只有活跃可用的FD才会调用callback函数；即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接，而跟连接总数无关，因此在实际的网络环境中，Epoll的效率就会远远高于select和poll。 3、内存拷贝，利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递；即epoll使用mmap减少复制开销。

JDK1.5_update10版本使用epoll替代了传统的select/poll，极大的提升了NIO通信的性能。

备注：JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决。这个可以在后续netty系列里面进行说明下。

信号驱动的I/O (Signal Driven I/O)

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很明显可以看出用户进程不是阻塞的。首先用户进程建立SIGIO信号处理程序，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数，这时用户进程便可以做其他的事了，一旦数据准备好，系统便为该进程生成一个SIGIO信号，去通知它数据已经准备好了，于是用户进程便调用recvfrom把数据从内核拷贝出来，并返回结果。

3.5 异步I/O

一般来说，这些函数通过告诉内核启动操作并在整个操作（包括内核的数据到缓冲区的副本）完成时通知我们。这个模型和前面的信号驱动I/O模型的主要区别是，在信号驱动的I/O中，内核告诉我们何时可以启动I/O操作，但是异步I/O时，内核告诉我们何时I/O操作完成。

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当用户进程向内核发起某个操作后，会立刻得到返回，并把所有的任务都交给内核去完成（包括将数据从内核拷贝到用户自己的缓冲区），内核完成之后，只需返回一个信号告诉用户进程已经完成就可以了。

5中I/O模型的对比

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结果表明：前四个模型之间的主要区别是第一阶段，四个模型的第二阶段是一样的：过程受阻在调用recvfrom当数据从内核拷贝到用户缓冲区。然而，异步I/O处理两个阶段，与前四个不同。

从同步、异步，以及阻塞、非阻塞两个维度来划分来看：

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参考文档
匠心零度的公众号
Netty权威指南第一章