java NIO理论总结

目录

BIO NIO AIO

BIO (Blocking I/O)

NIO (Non-blocking/New I/O)

AIO (Asynchronous I/O)

BIO 与 NIO 区别

NIO BIO形象解释

NIO BIO各自应用场景

NIO在多线程中为什么比BIO好

BIO在多线程的缺点

NIO在服务端多线程的优点

NIO在客户端的优点

NIO的缺点

NIO理论

NIO Demo

直接内存与内核态与用户态

NIO适用的场景

NIO三种模型

Reactor单线程模型

Reactor多线程模型

主从Reactor多线程模型

阻塞非阻塞，同步异步

同步和异步

阻塞和非阻塞

阻塞和等待

两两组合

I/O

阻塞IO和非阻塞IO

同步IO和同步阻塞IO

异步IO和异步阻塞/非阻塞IO

零拷贝DMA

为什么要有 DMA 技术?

传统的文件传输有多糟糕？

如何优化文件传输的性能？

如何减少数据拷贝的次数？

零拷贝简介

如何实现零拷贝？

mmap + write

sendfile

使用零拷贝技术的项目

PageCache 有什么作用？

大文件传输用什么方式实现？

零拷贝DMA总结

IO 多路复用

阻塞 IO

非阻塞 IO

IO 多路复用介绍

select

poll

epoll

select和epoll函数的区别

IO多路复用总结

Tomcat Connector（BIO, NIO, APR）三种运行模式

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注意：本文参考  docs/java/basis/io.md · SnailClimb/JavaGuide - Gitee.com

NIO | 对线面试官

IO 多路复用

【面试】迄今为止把同步/异步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO讲的这么清楚的好文章（快快珍藏）

Tomcat Connector（BIO, NIO, APR）三种运行模式 - 简书

BIO NIO AIO

BIO (Blocking I/O)

BIO 属于同步阻塞 IO 模型 。

同步阻塞 IO 模型中，应用程序发起 read 调用后，会一直阻塞，直到内核把数据拷贝到用户空间。

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在客户端连接数量不高的情况下，是没问题的。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

NIO (Non-blocking/New I/O)

Java 中的 NIO 于 Java 1.4 中引入，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer 等抽象。NIO 中的 N 可以理解为 Non-blocking，不单纯是 New。它支持面向缓冲的，基于通道的 I/O 操作方法。 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 。

Java 中的 NIO 可以看作是 I/O 多路复用模型。也有很多人认为，Java 中的 NIO 属于同步非阻塞 IO 模型。

跟着我的思路往下看看，相信你会得到答案！

我们先来看看 同步非阻塞 IO 模型。

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同步非阻塞 IO 模型中，应用程序会一直发起 read 调用，等待数据从内核空间拷贝到用户空间的这段时间里，线程依然是阻塞的，直到在内核把数据拷贝到用户空间。

相比于同步阻塞 IO 模型，同步非阻塞 IO 模型确实有了很大改进。通过轮询操作，避免了一直阻塞。

但是，这种 IO 模型同样存在问题：应用程序不断进行 I/O 系统调用轮询数据是否已经准备好的过程是十分消耗 CPU 资源的。

这个时候，I/O 多路复用模型 就上场了。

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IO 多路复用模型中，线程首先发起 select 调用，询问内核数据是否准备就绪，等内核把数据准备好了，用户线程再发起 read 调用。read 调用的过程（数据从内核空间->用户空间）还是阻塞的。

目前支持 IO 多路复用的系统调用，有 select，epoll 等等。select 系统调用，是目前几乎在所有的操作系统上都有支持

select 调用 ：内核提供的系统调用，它支持一次查询多个系统调用的可用状态。几乎所有的操作系统都支持。

epoll 调用 ：linux 2.6 内核，属于 select 调用的增强版本，优化了 IO 的执行效率。

IO 多路复用模型，通过减少无效的系统调用，减少了对 CPU 资源的消耗。

Java 中的 NIO ，有一个非常重要的选择器 ( Selector ) 的概念，也可以被称为 多路复用器。通过它，只需要一个线程便可以管理多个客户端连接。当客户端数据到了之后，才会为其服务。

在Java NIO有三个核心部分组成。分别是Buffer（缓冲区）、Channel（管道）以及Selector（选择器）

可以简单的理解为：Buffer是存储数据的地方，Channel是运输数据的载体，而Selector用于检查多个Channel的状态变更情况，

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AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。

异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

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目前来说 AIO 的应用还不是很广泛。Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。这是因为，Netty 使用了 AIO 之后，在 Linux 系统上的性能并没有多少提升。

最后，来一张图，简单总结一下 Java 中的 BIO、NIO、AIO。

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BIO 与 NIO 区别

1  NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。

Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

2  IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。

NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

3  IO没有Selector，而NIO有，就是为了实现非阻塞模式，为了针对网络编程。

Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

与Selector有关的一个关键类是SelectionKey，一个SelectionKey表示一个到达的事件，这2个类构成了服务端处理业务的关键逻辑。

4  IO的流是单向的，是输出流或者输入流。NIO的通道负责数据的传输，是双向的，就像是铁路。Buffer负责数据的存储，就像是火车可以在铁路上来回传输数据。

通过使用FileChannel可以从文件读或者向文件写入数据；通过SocketChannel，以TCP来向网络连接的两端读写数据；通过ServerSocketChanel能够监听客户端发起的TCP连接，并为每个TCP连接创建一个新的SocketChannel来进行数据读写；通过DatagramChannel，以UDP协议来向网络连接的两端读写数据。

NIO BIO形象解释

对于NIO和传统IO，有一个网友讲的生动的例子：

以前的流总是堵塞的，一个线程只要对它进行操作，其它操作就会被堵塞，也就相当于水管没有阀门，你伸手接水的时候，不管水到了没有，你就都只能耗在接水（流）上。

nio的Channel的加入，相当于增加了水龙头（有阀门），虽然一个时刻也只能接一个水管的水，但依赖轮换策略，在水量不大的时候，各个水管里流出来的水，都可以得到妥善接纳，这个关键之处就是增加了一个接水工，也就是Selector，他负责协调，也就是看哪根水管有水了的话，在当前水管的水接到一定程度的时候，就切换一下：临时关上当前水龙头，试着打开另一个水龙头（看看有没有水）。

当其他人需要用水的时候，不是直接去接水，而是事前提了一个水桶给接水工，这个水桶就是Buffer。也就是，其他人虽然也可能要等，但不会在现场等，而是回家等，可以做其它事去，水接满了，接水工会通知他们。

NIO BIO各自应用场景

（1）NIO适合处理连接数目特别多，但是连接比较短（轻操作）的场景，Jetty，Mina，ZooKeeper等都是基于java nio实现。
服务器需要支持超大量的长时间连接。比如10000个连接以上，并且每个客户端并不会频繁地发送太多数据。例如总公司的一个中心服务器需要收集全国便利店各个收银机的交易信息，只需要少量线程按需处理维护的大量长期连接。

（2）BIO方式适用于连接数目比较小且固定的场景，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中。

NIO在多线程中为什么比BIO好

BIO在多线程的缺点

之所以使用多线程，主要原因在于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的，当一个连接在处理I/O的时候，系统是阻塞的，如果是单线程的话必然就挂死在那里；但CPU是被释放出来的，开启多线程，就可以让CPU去处理更多的事情。

其实这也是所有使用多线程的本质：

1.利用多核。

2.当I/O阻塞系统，但CPU空闲的时候，可以利用多线程使用CPU资源。

现在的多线程一般都使用线程池 ，可以让线程的创建和回收成本相对较低。在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的I/O并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。

不过，这个模型最本质的问题在于，严重依赖于线程。但线程是很"贵"的资源，主要表现在：

1.线程的创建和销毁成本很高，在Linux这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数。

2.线程本身占用较大内存，像Java的线程栈，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半。

3.线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高(超过20%以上)，导致系统几乎陷入不可用的状态。

4.容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。

所以，当 面对十万甚至百万级连接的时候，传统的BIO模型是无能为力的 。随着移动端应用的兴起和各种网络游戏的盛行，百万级长连接日趋普遍，此时，必然需要一种更高效的I/O处理模型。

NIO在服务端多线程的优点

很多刚接触NIO的人，第一眼看到的就是Java相对晦涩的API，比如：Channel，Selector，Socket什么的；然后就是一坨上百行的代码来演示NIO的服务端Demo……瞬间头大有没有？

我们不管这些，抛开现象看本质，先分析下NIO是怎么工作的。

1.常见I/O模型对比

所有的系统I/O都分为两个阶段：等待就绪和操作。举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。

需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用CPU的，是在“空等”；而真正的读写操作的阻塞是使用CPU的，真正在"干活"，而且这个过程非常快，属于memory copy，带宽通常在1GB/s级别以上，可以理解为基本不耗时。

以socket.read()为例子：

传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。

对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户;反之则直接返回0，永远不会阻塞。

最新的AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。

换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心"我可以读了"，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。

NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的(消耗CPU但性能非常高)。

2.如何结合事件模型使用NIO同步非阻塞特性

下面具体看下如何利用事件模型单线程处理所有I/O请求：

NIO的主要事件有几个：

读就绪

写就绪

有新连接到来

我们首先需要注册当这几个事件到来的时候所对应的处理器。然后在合适的时机告诉事件选择器：我对这个事件感兴趣。对于写操作，就是写不出去的时候对写事件感兴趣；对于读操作，就是完成连接和系统没有办法承载新读入的数据的时；对于accept，一般是服务器刚启动的时候；而对于connect，一般是connect失败需要重连或者直接异步调用connect的时候。

其次，用一个死循环选择就绪的事件，会执行系统调用（Linux 2.6之前是select、poll，2.6之后是epoll，Windows是IOCP），还会阻塞的等待新事件的到来。新事件到来的时候，会在selector上注册标记位，标示可读、可写或者有连接到来。

注意，select是阻塞的，无论是通过操作系统的通知（epoll）还是不停的轮询(select，poll)，这个函数是阻塞的。所以你可以放心大胆地在一个while(true)里面调用这个函数而不用担心CPU空转。

最简单的Reactor模式：注册所有感兴趣的事件处理器，单线程轮询选择就绪事件，执行事件处理器。

3.优化线程模型

NIO是怎么解决掉线程的瓶颈并处理海量连接的：

NIO由原来的阻塞读写（占用线程）变成了单线程轮询事件，找到可以进行读写的网络描述符进行读写。除了事件的轮询是阻塞的（没有可干的事情必须要阻塞），剩余的I/O操作都是纯CPU操作，没有必要开启多线程。

并且由于线程的节约，连接数大的时候因为线程切换带来的问题也随之解决，进而为处理海量连接提供了可能。

单线程处理I/O的效率确实非常高，没有线程切换，只是拼命的读、写、选择事件。但现在的服务器，一般都是多核处理器，如果能够利用多核心进行I/O，无疑对效率会有更大的提高。

仔细分析一下我们需要的线程，其实主要包括以下几种：

事件分发器，单线程选择就绪的事件。

I/O处理器，包括connect、read、write等，这种纯CPU操作，一般开启CPU核心个线程就可以。

业务线程，在处理完I/O后，业务一般还会有自己的业务逻辑，有的还会有其他的阻塞I/O，如DB操作，RPC等。只要有阻塞，就需要单独的线程。

Java的Selector对于Linux系统来说，有一个致命限制：同一个channel的select不能被并发的调用。因此，如果有多个I/O线程，必须保证：一个socket只能属于一个IoThread，而一个IoThread可以管理多个socket。

另外连接的处理和读写的处理通常可以选择分开，这样对于海量连接的注册和读写就可以分发。虽然read()和write()是比较高效无阻塞的函数，但毕竟会占用CPU，如果面对更高的并发则无能为力。

NIO在客户端的优点

通过上面的分析，可以看出NIO在服务端对于解放线程，优化I/O和处理海量连接方面，确实有自己的用武之地。

NIO又有什么使用场景呢?

1.常见的客户端BIO+连接池模型，可以建立n个连接，然后当某一个连接被I/O占用的时候，可以使用其他连接来提高性能。

但多线程的模型面临和服务端相同的问题：如果指望增加连接数来提高性能，则连接数又受制于线程数、线程很贵、无法建立很多线程，则性能遇到瓶颈。

2.每连接顺序请求的Redis

对于Redis来说，由于服务端是全局串行的，能够保证同一连接的所有请求与返回顺序一致。这样可以使用单线程＋队列，把请求数据缓冲。然后pipeline发送，返回future，然后channel可读时，直接在队列中把future取回来，done()就可以了。

这样做，能够充分的利用pipeline来提高I/O能力，同时获取异步处理能力。

3.多连接短连接的HttpClient

类似于竞对抓取的项目，往往需要建立无数的HTTP短连接，然后抓取，然后销毁，当需要单机抓取上千网站线程数又受制的时候，怎么保证性能呢?

何不尝试NIO，单线程进行连接、写、读操作？如果连接、读、写操作系统没有能力处理，简单的注册一个事件，等待下次循环就好了。

如何存储不同的请求/响应呢？由于http是无状态没有版本的协议，又没有办法使用队列，好像办法不多。比较笨的办法是对于不同的socket，直接存储socket的引用作为map的key。

4.常见的RPC框架，如Thrift，Dubbo

这种框架内部一般维护了请求的协议和请求号，可以维护一个以请求号为key，结果的result为future的map，结合NIO+长连接，获取非常不错的性能。

NIO的缺点

使用NIO != 高性能，当连接数<1000，并发程度不高或者局域网环境下NIO并没有显著的性能优势。

NIO并没有完全屏蔽平台差异，它仍然是基于各个操作系统的I/O系统实现的，差异仍然存在。使用NIO做网络编程构建事件驱动模型并不容易，陷阱重重。

推荐大家使用成熟的 NIO框架：如Netty，MINA等 ，解决了很多NIO的陷阱，并屏蔽了操作系统的差异，有较好的性能和编程模型。

NIO理论

NIO Demo

public class NoBlockServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 1.获取通道
        ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();

        // 2.切换成非阻塞模式
        server.configureBlocking(false);

        // 3. 绑定连接
        server.bind(new InetSocketAddress(6666));

        // 4. 获取选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 4.1将通道注册到选择器上，指定接收“监听通道”事件
        server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 5. 轮训地获取选择器上已“就绪”的事件--->只要select()>0，说明已就绪
        while (selector.select() > 0) {
            // 6. 获取当前选择器所有注册的“选择键”(已就绪的监听事件)
            Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();

            // 7. 获取已“就绪”的事件，(不同的事件做不同的事)
            while (iterator.hasNext()) {

                SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                // 接收事件就绪
                if (selectionKey.isAcceptable()) {

                    // 8. 获取客户端的链接
                    SocketChannel client = server.accept();

                    // 8.1 切换成非阻塞状态
                    client.configureBlocking(false);

                    // 8.2 注册到选择器上-->拿到客户端的连接为了读取通道的数据(监听读就绪事件)
                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (selectionKey.isReadable()) { // 读事件就绪

                    // 9. 获取当前选择器读就绪状态的通道
                    SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    // 9.1读取数据
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                    // 9.2得到文件通道，将客户端传递过来的图片写到本地项目下(写模式、没有则创建)
                    FileChannel outChannel = FileChannel.open(Paths.get("2.png"), StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);

                    while (client.read(buffer) > 0) {
                        // 在读之前都要切换成读模式
                        buffer.flip();

                        outChannel.write(buffer);

                        // 读完切换成写模式，能让管道继续读取文件的数据
                        buffer.clear();
                    }
                }
                // 10. 取消选择键(已经处理过的事件，就应该取消掉了)
                iterator.remove();
            }
        }

    }
}

public class NoBlockClient {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 1. 获取通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666));

        // 1.1切换成非阻塞模式
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 1.2获取选择器
        Selector selector = Selector.open();

        // 1.3将通道注册到选择器中，获取服务端返回的数据
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        // 2. 发送一张图片给服务端吧
        FileChannel fileChannel = FileChannel.open(Paths.get("X:\\Users\\ozc\\Desktop\\面试造火箭\\1.png"), StandardOpenOption.READ);

        // 3.要使用NIO，有了Channel，就必然要有Buffer，Buffer是与数据打交道的呢
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 4.读取本地文件(图片)，发送到服务器
        while (fileChannel.read(buffer) != -1) {

            // 在读之前都要切换成读模式
            buffer.flip();

            socketChannel.write(buffer);

            // 读完切换成写模式，能让管道继续读取文件的数据
            buffer.clear();
        }


        // 5. 轮训地获取选择器上已“就绪”的事件--->只要select()>0，说明已就绪
        while (selector.select() > 0) {
            // 6. 获取当前选择器所有注册的“选择键”(已就绪的监听事件)
            Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();

            // 7. 获取已“就绪”的事件，(不同的事件做不同的事)
            while (iterator.hasNext()) {

                SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                // 8. 读事件就绪
                if (selectionKey.isReadable()) {

                    // 8.1得到对应的通道
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                    ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                    // 9. 知道服务端要返回响应的数据给客户端，客户端在这里接收
                    int readBytes = channel.read(responseBuffer);

                    if (readBytes > 0) {
                        // 切换读模式
                        responseBuffer.flip();
                        System.out.println(new String(responseBuffer.array(), 0, readBytes));
                    }
                }

                // 10. 取消选择键(已经处理过的事件，就应该取消掉了)
                iterator.remove();
            }
        }
    }

}

直接内存与内核态与用户态

从Linux系统角度出发，内存分为俩块

1 内核态，由操作系统内核操作，读写磁盘，读写网络都是由这负责

2 用户态，我们的c应用程序能访问到的部分

当我们要读文件的时候，首先由内核态负责将数据从磁盘读到内核态里，再从内核态拷贝到我们用户态弄内存里，c程序里操作的也就是这部分用户态的内存。

说完c我们再说说Java，jvm启动的时候会在用户态申请一块内存，申请的这块内存中有一部分会被称为堆，一般我我们申请的对象就会放在这个堆上，堆上的对象是受gc管理的。

那么除了堆内的内存，其他的内存都被称为对外内存。在堆外内存中如果我们是通过Java的directbuffer申请的，那么这块内存其实也是间接受gc管理的，而如果我们通过jni直接调用c函数申请一块堆外内存，那么这块内存就只能我们自己手动管理了。

当我们在Java中发起一个文件读操作会发生什么呢？首先内核会将数据从磁盘读到内存，再从内核拷贝到用户态的堆外内存(这部分是jvm实现)，然后再将数据从堆外拷贝到堆内。拷贝到堆内其实就是我们在Java中自己手动申请的byte数组中。

以上是Java传统io的方式，我们发现经过了俩次内存拷贝，而nio中只需要使用directbuffer，就不必将数据从堆外拷贝到堆内了，减少了一次内存拷贝，降低了内存的占用，减轻了gc的压力。

Java中的零拷贝其实是直接调用的Linux系统调用，直接在内核态进行设备间的内存操作，二不必拷贝到用户态中。（相当于用户态引用的逻辑地址在内核态中）

直接内存在用户态。DirectByteBuffer属于user space,也就是用户态。

其实本质是减少内存之间拷贝的次数，因为DirectMemory直接分配的是用户空间的内存，所以不再需要用户空间和jvm的heap之间的拷贝，所以少了一次拷贝，节省了时间。然而这只是用户态上的空间优化，那么用户态和内核态之间是否又被优化了呢。

本质上其实就是使用直接内存减少了堆内内存和堆外内存之间的数据拷贝，直接将数据写到堆外内存中，然后堆内内存中有个引用地址来操作这个堆外内存。用户态和内核态的逻辑地址使用的是同一个物理空间，所以相当于用户态和内核态也不存在拷贝。

NIO适用的场景

如果需要管理同时打开的成千上万个连接，这些连接每次只是发送少量的数据，例如聊天服务器，这时候用NIO处理数据可能是个很好的选择。

适用于连接数比较多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用；编程比较复杂，jdk1.4开始支持；

NIO三种模型

基本可以认为 “NIO = I/O多路复用 + 非阻塞式I/O”，大部分情况下是单线程，但也有超过一个线程实现NIO的情况

上面所讲到的只需要一个线程就可以同时处理多个套接字，这只是其中的一种单线程模型，是一种较为极端的情况，NIO主要包含三种线程NIO三种模型

Reactor单线程模型

单个线程完成所有事情包括接收客户端的TCP连接请求，读取和写入套接字数据等。

对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用却不合适 主要原因如下：

[1]一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送；

[2]当NIO线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，NIO线程会成为系统的性能瓶颈；

[3]可靠性问题：一旦NIO线程意外跑飞，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。

Reactor多线程模型

Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理真实的IO操作。

[1] 有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；

[2] 网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；

[3] 1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操作问题。

主从Reactor多线程模型

在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极特殊应用场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证，认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题。

为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型

主从Reactor线程模型的特点，服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池bossGroup。Acceptor接收到客户端TCP连接请求并处理完成后，将新创建的SocketChannel注册到workGroup线程池的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。

（1）bossGroup：监听ServerSocketChannel，接收到客户端连接请求后交由Acceptor处理，成功建立连接后将SocketChannel派发给workGroup。

（2）Acceptor：联想Socket编程大概也能猜到这是处理客户端请求链接的，Acceptor仅仅完成登录、握手和安全认证等操作，一旦链路建立成功，就将SocketChannel注册到后端workGroup线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。

（3）workGroup：监听SocketChannel的IO事件，完成编码、解码以及相应业务处理。

 

阻塞非阻塞，同步异步

同步和异步

所谓同步，指的是协同步调。既然叫协同，所以至少要有2个以上的事物存在。协同的结果就是：

多个事物不能同时进行，必须一个一个的来，上一个事物结束后，下一个事物才开始。

那当一个事物正在进行时，其它事物都在干嘛呢？

严格来讲这个并没有要求，但一般都是处于一种“等待”的状态，因为通常后面事物的正常进行都需要依赖前面事物的结果或前面事物正在使用的资源。

因此，可以认为，同步更希望关注的是从宏观整体来看，多个事物是一种逐个逐个的串行化关系，绝对不会出现交叉的情况。

所以，自然也不太会去关注某个瞬间某个具体事物是处于一个什么状态。

把这个理论应用的出神入化的非“排队”莫属。凡是在资源少需求多的场景下都会用到排队。

比如排队买火车票这件事：

其实售票大厅更在意的是旅客一个一个的到窗口去买票，因为一次只能卖一张票。

即使大家一窝蜂的都围上去，还是一次只能卖一张票，何必呢？挤在一起又不安全。

只是有些人素质太差，非要往上挤，售票大厅迫不得已，采用排队这种形式来达到自己的目的，即一个一个的买票。

至于每个旅客排队时的状态，是看手机呀还是说话呀，根本不用去在意。

除了这种由于资源导致的同步外，还存在一种由于逻辑上的先后顺序导致的同步。

比如，先更新代码，然后再编译，接着再打包。这些操作由于后一步要使用上一步的结果，所以只能按照这种顺序一个一个的执行。

关于同步还需知道两个小的点：

一是范围，并不需要在全局范围内都去同步，只需要在某些关键的点执行同步即可。

比如食堂只有一个卖饭窗口，肯定是同步的，一个人买完，下一个人再买。但吃饭的时候也是一个人吃完，下一个人才开始吃吗？当然不是啦。

二是粒度，并不是只有大粒度的事物才有同步，小粒度的事物也有同步。

只不过小粒度的事物同步通常是天然支持的，而大粒度的事物同步往往需要手工处理。

比如两个线程的同步就需要手工处理，但一个线程里的两个语句天然就是同步的。

所谓异步，就是步调各异。既然是各异，那就是都不相同。所以结果就是：

多个事物可以你进行你的、我进行我的，谁都不用管谁，所有的事物都在同时进行中。

一言以蔽之，同步就是多个事物不能同时开工，异步就是多个事物可以同时开工。

注：一定要去体会“多个事物”，多个线程是多个事物，多个方法是多个事物，多个语句是多个事物，多个CPU指令是多个事物。等等等等。

阻塞和非阻塞

所谓阻塞，指的是阻碍堵塞。它的本意可以理解为由于遇到了障碍而造成的动弹不得。

所谓非阻塞，自然是和阻塞相对，可以理解为由于没有遇到障碍而继续畅通无阻。

对这两个词最好的诠释就是，当今中国一大交通难题，堵车：

汽车可以正常通行时，就是非阻塞。一旦堵上了，全部趴窝，一动不动，就是阻塞。

因此阻塞关注的是不能动，非阻塞关注的是可以动。

不能动的结果就是只能等待，可以动的结果就是继续前行。

因此和阻塞搭配的词一定是等待，和非阻塞搭配的词一定是进行。

回到程序里，阻塞同样意味着停下来等待，非阻塞表明可以继续向下执行。

阻塞和等待

等待只是阻塞的一个副作用而已，表明随着时间的流逝，没有任何有意义的事物发生或进行。

阻塞的真正含义是你关心的事物由于某些原因无法继续进行，因此让你等待。但没必要干等，你可以做一些其它无关的事物，因为这并不影响你对相关事物的等待。

在堵车时，你可以干等。也可以玩手机、和别人聊天，或者打牌、甚至先去吃饭都行。因为这些事物并不影响你对堵车的等待。不过你的车必须呆在原地。

在计算机里，是没有人这么灵活的，一般在阻塞时，选在干等，因为这最容易实现，只需要挂起线程，让出CPU即可。在条件满足时，会重新调度该线程。

两两组合

所谓同步/异步，关注的是能不能同时开工。

所谓阻塞/非阻塞，关注的是能不能动。

通过推理进行组合：

同步阻塞，不能同时开工，也不能动。只有一条小道，一次只能过一辆车，可悲的是还TMD的堵上了。

同步非阻塞，不能同时开工，但可以动。只有一条小道，一次只能过一辆车，幸运的是可以正常通行。

异步阻塞，可以同时开工，但不可以动。有多条路，每条路都可以跑车，可气的是全都TMD的堵上了。

异步非阻塞，可以工时开工，也可以动。有多条路，每条路都可以跑车，很爽的是全都可以正常通行。

是不是很容易理解啊。其实它们的关注点是不同的，只要搞明白了这点，组合起来也不是事儿。

回到程序里，把它们和线程关联起来：

同步阻塞，相当于一个线程在等待。

同步非阻塞，相当于一个线程在正常运行。

异步阻塞，相当于多个线程都在等待。

异步非阻塞，相当于多个线程都在正常运行。

I/O

IO指的就是读入/写出数据的过程，和等待读入/写出数据的过程。一旦拿到数据后就变成了数据操作了，就不是IO了。

拿网络IO来说，等待的过程就是数据从网络到网卡再到内核空间。读写的过程就是内核空间和用户空间的相互拷贝。

所以IO就包括两个过程，一个是等待数据的过程，一个是读写（拷贝）数据的过程。而且还要明白，一定不能包括操作数据的过程。

阻塞IO和非阻塞IO

应用程序都是运行在用户空间的，所以它们能操作的数据也都在用户空间。按照这样子来理解，只要数据没有到达用户空间，用户线程就操作不了。

如果此时用户线程已经参与，那它一定会被阻塞在IO上。这就是常说的阻塞IO。用户线程被阻塞在等待数据上或拷贝数据上。

非阻塞IO就是用户线程不参与以上两个过程，即数据已经拷贝到用户空间后，才去通知用户线程，一上来就可以直接操作数据了。

用户线程没有因为IO的事情出现阻塞，这就是常说的非阻塞IO。

同步IO和同步阻塞IO

按照上文中对同步的理解，同步IO是指发起IO请求后，必须拿到IO的数据才可以继续执行。

按照程序的表现形式又分为两种：

在等待数据的过程中，和拷贝数据的过程中，线程都在阻塞，这就是同步阻塞IO。

在等待数据的过程中，线程采用死循环式轮询，在拷贝数据的过程中，线程在阻塞，这其实还是同步阻塞IO。

网上很多文章把第二种归为同步非阻塞IO，这肯定是错误的，它一定是阻塞IO，因为拷贝数据的过程，线程是阻塞的。

严格来讲，在IO的概念上，同步和非阻塞是不可能搭配的，因为它们是一对相悖的概念。

同步IO意味着必须拿到IO的数据，才可以继续执行。因为后续操作依赖IO数据，所以它必须是阻塞的。

非阻塞IO意味着发起IO请求后，可以继续往下执行。说明后续执行不依赖于IO数据，所以它肯定不是同步的。

因此，在IO上，同步和非阻塞是互斥的，所以不存在同步非阻塞IO。但同步非阻塞是存在的，那不叫IO，叫操作数据了。

所以，同步IO一定是阻塞IO，同步IO也就是同步阻塞IO。

异步IO和异步阻塞/非阻塞IO

按照上文中对异步的理解，异步IO是指发起IO请求后，不用拿到IO的数据就可以继续执行。

用户线程的继续执行，和操作系统准备IO数据的过程是同时进行的，因此才叫做异步IO。

按照IO数据的两个过程，又可以分为两种：

在等待数据的过程中，用户线程继续执行，在拷贝数据的过程中，线程在阻塞，这就是异步阻塞IO。

在等待数据的过程中，和拷贝数据的过程中，用户线程都在继续执行，这就是异步非阻塞IO。

第一种情况是，用户线程没有参与数据等待的过程，所以它是异步的。但用户线程参与了数据拷贝的过程，所以它又是阻塞的。合起来就是异步阻塞IO。

第二种情况是，用户线程既没有参与等待过程也没有参与拷贝过程，所以它是异步的。当它接到通知时，数据已经准备好了，它没有因为IO数据而阻塞过，所以它又是非阻塞的。合起来就是异步非阻塞IO。
 

零拷贝DMA

为什么要有 DMA 技术?

在没有 DMA 技术前，I/O 的过程是这样的：

CPU 发出对应的指令给磁盘控制器，然后返回；

磁盘控制器收到指令后，于是就开始准备数据，会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中，然后产生一个中断；

CPU 收到中断信号后，停下手头的工作，接着把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节地读进自己的寄存器，然后再把寄存器里的数据写入到内存，而在数据传输的期间 CPU 是无法执行其他任务的。

为了方便你理解，我画了一副图：

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可以看到，整个数据的传输过程，都要需要 CPU 亲自参与搬运数据的过程，而且这个过程，CPU 是不能做其他事情的。

简单的搬运几个字符数据那没问题，但是如果我们用千兆网卡或者硬盘传输大量数据的时候，都用 CPU 来搬运的话，肯定忙不过来。

计算机科学家们发现了事情的严重性后，于是就发明了 DMA 技术，也就是直接内存访问（Direct Memory Access） 技术。

什么是 DMA 技术？简单理解就是，在进行 I/O 设备和内存的数据传输的时候，数据搬运的工作全部交给 DMA 控制器，而 CPU 不再参与任何与数据搬运相关的事情，这样 CPU 就可以去处理别的事务。

那使用 DMA 控制器进行数据传输的过程究竟是什么样的呢？下面我们来具体看看。

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具体过程：

用户进程调用 read 方法，向操作系统发出 I/O 请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态；

操作系统收到请求后，进一步将 I/O 请求发送 DMA，然后让 CPU 执行其他任务；

DMA 进一步将 I/O 请求发送给磁盘；

磁盘收到 DMA 的 I/O 请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满后，向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；

DMA 收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不占用 CPU，CPU 可以执行其他任务；

当 DMA 读取了足够多的数据，就会发送中断信号给 CPU；

CPU 收到 DMA 的信号，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回；

可以看到， 整个数据传输的过程，CPU 不再参与数据搬运的工作，而是全程由 DMA 完成，但是 CPU 在这个过程中也是必不可少的，因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，都需要 CPU 来告诉 DMA 控制器。

早期 DRM 只存在在主板上，如今由于 I/O 设备越来越多，数据传输的需求也不尽相同，所以每个 I/O 设备里面都有自己的 DMA 控制器。

传统的文件传输有多糟糕？

如果服务端要提供文件传输的功能，我们能想到的最简单的方式是：将磁盘上的文件读取出来，然后通过网络协议发送给客户端。

传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。

代码通常如下，一般会需要两个系统调用：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

代码很简单，虽然就两行代码，但是这里面发生了不少的事情。

​

首先，期间共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。

上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。

其次，还发生了 4 次数据拷贝，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

第一次拷贝，把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。

第二次拷贝，把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。

第三次拷贝，把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。

第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。

我们回过头看这个文件传输的过程，我们只是搬运一份数据，结果却搬运了 4 次，过多的数据拷贝无疑会消耗 CPU 资源，大大降低了系统性能。

这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。

所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少「用户态与内核态的上下文切换」和「内存拷贝」的次数。 

如何优化文件传输的性能？

先来看看，如何减少「用户态与内核态的上下文切换」的次数呢？

读取磁盘数据的时候，之所以要发生上下文切换，这是因为用户空间没有权限操作磁盘或网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交由操作系统内核来完成，所以一般要通过内核去完成某些任务的时候，就需要使用操作系统提供的系统调用函数。

而一次系统调用必然会发生 2 次上下文切换：首先从用户态切换到内核态，当内核执行完任务后，再切换回用户态交由进程代码执行。

所以，要想减少上下文切换到次数，就要减少系统调用的次数。

如何减少数据拷贝的次数？

在前面我们知道了，传统的文件传输方式会历经 4 次数据拷贝，而且这里面，「从内核的读缓冲区拷贝到用户的缓冲区里，再从用户的缓冲区里拷贝到 socket 的缓冲区里」，这个过程是没有必要的。

因为文件传输的应用场景中，在用户空间我们并不会对数据「再加工」，所以数据实际上可以不用搬运到用户空间，因此用户的缓冲区是没有必要存在的。

零拷贝简介

我们以读操作为例，假设用户程序发起一次读请求。

其实会调用read相关的「系统函数」，然后会从用户态切换到内核态，随后CPU会告诉DMA去磁盘把数据拷贝到内核空间。

等到「内核缓冲区」真正有数据之后，CPU会把「内核缓存区」数据拷贝到「用户缓冲区」，最终用户程序才能获取到。

稍微解释一下：为了保证内核的安全，操心系统将虚拟空间划分为「用户空间」和「内核空间」，所以在读系统数据的时候会有状态切换

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因为应用程序不能直接去读取硬盘的数据，从上面描述可知需要依赖「内核缓冲区」

一次读操作会让DMA将磁盘数据拷贝到内核缓冲区，CPU将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区。

所谓的零拷贝就是将「CPU将内核缓冲区数据拷贝到用户缓冲区」这次CPU拷贝给省去，来提高效率和性能

常见的零拷贝技术有mmap（内核缓冲区与用户缓冲区的共享）、sendfile（系统底层函数支持）。

零拷贝可以提高数据传输的性能，这块在Kafka等框架也有相关的实践。

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如何实现零拷贝？

零拷贝技术实现的方式通常有 2 种：

mmap + write

sendfile

下面就谈一谈，它们是如何减少「上下文切换」和「数据拷贝」的次数。

mmap + write

在前面我们知道，read() 系统调用的过程中会把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是为了减少这一步开销，我们可以用 mmap() 替换 read() 系统调用函数。

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

mmap() 系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据「映射」到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作。

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具体过程如下：

应用进程调用了 mmap() 后，DMA 会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区里。接着，应用进程跟操作系统内核「共享」这个缓冲区；

应用进程再调用 write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区中，这一切都发生在内核态，由 CPU 来搬运数据；

最后，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程是由 DMA 搬运的。

我们可以得知，通过使用 mmap() 来代替 read()， 可以减少一次数据拷贝的过程。

但这还不是最理想的零拷贝，因为仍然需要通过 CPU 把内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区里，而且仍然需要 4 次上下文切换，因为系统调用还是 2 次。

sendfile

在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()，函数形式如下：

#include 
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

它的前两个参数分别是目的端和源端的文件描述符，后面两个参数是源端的偏移量和复制数据的长度，返回值是实际复制数据的长度。

首先，它可以替代前面的 read() 和 write() 这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就减少了 2 次上下文切换的开销。

其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有 2 次上下文切换，和 3 次数据拷贝。如下图：

​

但是这还不是真正的零拷贝技术，如果网卡支持 SG-DMA（The Scatter-Gather Direct Memory Access）技术（和普通的 DMA 有所不同），我们可以进一步减少通过 CPU 把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区的过程。

你可以在你的 Linux 系统通过下面这个命令，查看网卡是否支持 scatter-gather 特性：

$ ethtool -k eth0 | grep scatter-gather
scatter-gather: on

于是，从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化，具体过程如下：

第一步，通过 DMA 将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区里；

第二步，缓冲区描述符和数据长度传到 socket 缓冲区，这样网卡的 SG-DMA 控制器就可以直接将内核缓存中的数据拷贝到网卡的缓冲区里，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝；

所以，这个过程之中，只进行了 2 次数据拷贝，如下图：

​

这就是所谓的零拷贝（Zero-copy）技术，因为我们没有在内存层面去拷贝数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。

零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

所以，总体来看，零拷贝技术可以把文件传输的性能提高至少一倍以上。

使用零拷贝技术的项目

事实上，Kafka 这个开源项目，就利用了「零拷贝」技术，从而大幅提升了 I/O 的吞吐率，这也是 Kafka 在处理海量数据为什么这么快的原因之一。

如果你追溯 Kafka 文件传输的代码，你会发现，最终它调用了 Java NIO 库里的 transferTo方法：

@Overridepublic 
long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException { 
    return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel);
}

如果 Linux 系统支持 sendfile() 系统调用，那么 transferTo() 实际上最后就会使用到 sendfile() 系统调用函数。

曾经有大佬专门写过程序测试过，在同样的硬件条件下，传统文件传输和零拷拷贝文件传输的性能差异，你可以看到下面这张测试数据图，使用了零拷贝能够缩短 65% 的时间，大幅度提升了机器传输数据的吞吐量。

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另外，Nginx 也支持零拷贝技术，一般默认是开启零拷贝技术，这样有利于提高文件传输的效率，是否开启零拷贝技术的配置如下：

http {
...
    sendfile on
...
}

sendfile 配置的具体意思: 

设置为 on 表示，使用零拷贝技术来传输文件：sendfile ，这样只需要 2 次上下文切换，和 2 次数据拷贝。

设置为 off 表示，使用传统的文件传输技术：read + write，这时就需要 4 次上下文切换，和 4 次数据拷贝。

当然，要使用 sendfile，Linux 内核版本必须要 2.1 以上的版本。

PageCache 有什么作用？

回顾前面说道文件传输过程，其中第一步都是先需要先把磁盘文件数据拷贝「内核缓冲区」里，这个「内核缓冲区」实际上是磁盘高速缓存（PageCache）。

由于零拷贝使用了 PageCache 技术，可以使得零拷贝进一步提升了性能，我们接下来看看 PageCache 是如何做到这一点的。

读写磁盘相比读写内存的速度慢太多了，所以我们应该想办法把「读写磁盘」替换成「读写内存」。于是，我们会通过 DMA 把磁盘里的数据搬运到内存里，这样就可以用读内存替换读磁盘。

但是，内存空间远比磁盘要小，内存注定只能拷贝磁盘里的一小部分数据。

那问题来了，选择哪些磁盘数据拷贝到内存呢？

我们都知道程序运行的时候，具有「局部性」，所以通常，刚被访问的数据在短时间内再次被访问的概率很高，于是我们可以用 PageCache 来缓存最近被访问的数据，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存。

所以，读磁盘数据的时候，优先在 PageCache 找，如果数据存在则可以直接返回；如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存 PageCache 中。

还有一点，读取磁盘数据的时候，需要找到数据所在的位置，但是对于机械磁盘来说，就是通过磁头旋转到数据所在的扇区，再开始「顺序」读取数据，但是旋转磁头这个物理动作是非常耗时的，为了降低它的影响，PageCache 使用了「预读功能」。

比如，假设 read 方法每次只会读 32 KB 的字节，虽然 read 刚开始只会读 0 ～ 32 KB 的字节，但内核会把其后面的 32～64 KB 也读取到 PageCache，这样后面读取 32～64 KB 的成本就很低，如果在 32～64 KB 淘汰出 PageCache 前，进程读取到它了，收益就非常大。

所以，PageCache 的优点主要是两个：

缓存最近被访问的数据；

预读功能；

这两个做法，将大大提高读写磁盘的性能。

但是，在传输大文件（GB 级别的文件）的时候，PageCache 会不起作用，那就白白浪费 DRM 多做的一次数据拷贝，造成性能的降低，即使使用了 PageCache 的零拷贝也会损失性能

这是因为如果你有很多 GB 级别文件需要传输，每当用户访问这些大文件的时候，内核就会把它们载入 PageCache 中，于是 PageCache 空间很快被这些大文件占满。

另外，由于文件太大，可能某些部分的文件数据被再次访问的概率比较低，这样就会带来 2 个问题：

PageCache 由于长时间被大文件占据，其他「热点」的小文件可能就无法充分使用到 PageCache，于是这样磁盘读写的性能就会下降了；

PageCache 中的大文件数据，由于没有享受到缓存带来的好处，但却耗费 DMA 多拷贝到 PageCache 一次；

所以，针对大文件的传输，不应该使用 PageCache，也就是说不应该使用零拷贝技术，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，这样在高并发的环境下，会带来严重的性能问题。

大文件传输用什么方式实现？

那针对大文件的传输，我们应该使用什么方式呢？

我们先来看看最初的例子，当调用 read 方法读取文件时，进程实际上会阻塞在 read 方法调用，因为要等待磁盘数据的返回，如下图：

​

具体过程：

当调用 read 方法时，会阻塞着，此时内核会向磁盘发起 I/O 请求，磁盘收到请求后，便会寻址，当磁盘数据准备好后，就会向内核发起 I/O 中断，告知内核磁盘数据已经准备好；

内核收到 I/O 中断后，就将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到 PageCache 里；

最后，内核再把 PageCache 中的数据拷贝到用户缓冲区，于是 read 调用就正常返回了。

对于阻塞的问题，可以用异步 I/O 来解决，它工作方式如下图：

 ​

它把读操作分为两部分：

前半部分，内核向磁盘发起读请求，但是可以不等待数据就位就可以返回，于是进程此时可以处理其他任务；

后半部分，当内核将磁盘中的数据拷贝到进程缓冲区后，进程将接收到内核的通知，再去处理数据；

而且，我们可以发现，异步 I/O 并没有涉及到 PageCache，所以使用异步 I/O 就意味着要绕开 PageCache。

绕开 PageCache 的 I/O 叫直接 I/O，使用 PageCache 的 I/O 则叫缓存 I/O。通常，对于磁盘，异步 I/O 只支持直接 I/O。

前面也提到，大文件的传输不应该使用 PageCache，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache。

于是，在高并发的场景下，针对大文件的传输的方式，应该使用「异步 I/O + 直接 I/O」来替代零拷贝技术。

直接 I/O 应用场景常见的两种：

应用程序已经实现了磁盘数据的缓存，那么可以不需要 PageCache 再次缓存，减少额外的性能损耗。在 MySQL 数据库中，可以通过参数设置开启直接 I/O，默认是不开启；

传输大文件的时候，由于大文件难以命中 PageCache 缓存，而且会占满 PageCache 导致「热点」文件无法充分利用缓存，从而增大了性能开销，因此，这时应该使用直接 I/O。

另外，由于直接 I/O 绕过了 PageCache，就无法享受内核的这两点的优化：

内核的 I/O 调度算法会缓存尽可能多的 I/O 请求在 PageCache 中，最后「合并」成一个更大的 I/O 请求再发给磁盘，这样做是为了减少磁盘的寻址操作；

内核也会「预读」后续的 I/O 请求放在 PageCache 中，一样是为了减少对磁盘的操作；

于是，传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」了，就可以无阻塞地读取文件了。

所以，传输文件的时候，我们要根据文件的大小来使用不同的方式：

传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」；

传输小文件的时候，则使用「零拷贝技术」；

在 nginx 中，我们可以用如下配置，来根据文件的大小来使用不同的方式：

location /video/ { 
    sendfile on; 
    aio on; 
    directio 1024m; 
}

当文件大小大于 directio 值后，使用「异步 I/O + 直接 I/O」，否则使用「零拷贝技术」。

零拷贝DMA总结

早期 I/O 操作，内存与磁盘的数据传输的工作都是由 CPU 完成的，而此时 CPU 不能执行其他任务，会特别浪费 CPU 资源。

于是，为了解决这一问题，DMA 技术就出现了，每个 I/O 设备都有自己的 DMA 控制器，通过这个 DMA 控制器，CPU 只需要告诉 DMA 控制器，我们要传输什么数据，从哪里来，到哪里去，就可以放心离开了。后续的实际数据传输工作，都会由 DMA 控制器来完成，CPU 不需要参与数据传输的工作。

传统 IO 的工作方式，从硬盘读取数据，然后再通过网卡向外发送，我们需要进行 4 上下文切换，和 4 次数据拷贝，其中 2 次数据拷贝发生在内存里的缓冲区和对应的硬件设备之间，这个是由 DMA 完成，另外 2 次则发生在内核态和用户态之间，这个数据搬移工作是由 CPU 完成的。

为了提高文件传输的性能，于是就出现了零拷贝技术，它通过一次系统调用（sendfile 方法）合并了磁盘读取与网络发送两个操作，降低了上下文切换次数。另外，拷贝数据都是发生在内核中的，天然就降低了数据拷贝的次数。

Kafka 和 Nginx 都有实现零拷贝技术，这将大大提高文件传输的性能。

零拷贝技术是基于 PageCache 的，PageCache 会缓存最近访问的数据，提升了访问缓存数据的性能，同时，为了解决机械硬盘寻址慢的问题，它还协助 I/O 调度算法实现了 IO 合并与预读，这也是顺序读比随机读性能好的原因。这些优势，进一步提升了零拷贝的性能。

需要注意的是，零拷贝技术是不允许进程对文件内容作进一步的加工的，比如压缩数据再发送。

另外，当传输大文件时，不能使用零拷贝，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，并且大文件的缓存命中率不高，这时就需要使用「异步 IO + 直接 IO 」的方式。

在 Nginx 里，可以通过配置，设定一个文件大小阈值，针对大文件使用异步 IO 和直接 IO，而对小文件使用零拷贝。

IO 多路复用

阻塞 IO

服务端为了处理客户端的连接和请求的数据，写了如下代码。

listenfd = socket();   // 打开一个网络通信端口
bind(listenfd);        // 绑定
listen(listenfd);      // 监听
while(1) {
  connfd = accept(listenfd);  // 阻塞建立连接
  int n = read(connfd, buf);  // 阻塞读数据
  doSomeThing(buf);  // 利用读到的数据做些什么
  close(connfd);     // 关闭连接，循环等待下一个连接
}

这段代码会执行得磕磕绊绊，就像这样。

可以看到，服务端的线程阻塞在了两个地方，一个是 accept 函数，一个是 read 函数。

如果再把 read 函数的细节展开，我们会发现其阻塞在了两个阶段。

 

 

这就是传统的阻塞 IO。

整体流程如下图。

 

所以，如果这个连接的客户端一直不发数据，那么服务端线程将会一直阻塞在 read 函数上不返回，也无法接受其他客户端连接。

这肯定是不行的。

非阻塞 IO

为了解决上面的问题，其关键在于改造这个 read 函数。

有一种聪明的办法是，每次都创建一个新的进程或线程，去调用 read 函数，并做业务处理。 

while(1) {
  connfd = accept(listenfd);  // 阻塞建立连接
  pthread_create（doWork);  // 创建一个新的线程
}
void doWork() {
  int n = read(connfd, buf);  // 阻塞读数据
  doSomeThing(buf);  // 利用读到的数据做些什么
  close(connfd);     // 关闭连接，循环等待下一个连接
}

这样，当给一个客户端建立好连接后，就可以立刻等待新的客户端连接，而不用阻塞在原客户端的 read 请求上。

不过，这不叫非阻塞 IO，只不过用了多线程的手段使得主线程没有卡在 read 函数上不往下走罢了。操作系统为我们提供的 read 函数仍然是阻塞的。

所以真正的非阻塞 IO，不能是通过我们用户层的小把戏，而是要恳请操作系统为我们提供一个非阻塞的 read 函数。

这个 read 函数的效果是，如果没有数据到达时（到达网卡并拷贝到了内核缓冲区），立刻返回一个错误值（-1），而不是阻塞地等待。

操作系统提供了这样的功能，只需要在调用 read 前，将文件描述符设置为非阻塞即可。

fcntl(connfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
int n = read(connfd, buffer) != SUCCESS);

这样，就需要用户线程循环调用 read，直到返回值不为 -1，再开始处理业务。

这里我们注意到一个细节。

非阻塞的 read，指的是在数据到达前，即数据还未到达网卡，或者到达网卡但还没有拷贝到内核缓冲区之前，这个阶段是非阻塞的。

当数据已到达内核缓冲区，此时调用 read 函数仍然是阻塞的，需要等待数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区，才能返回。

整体流程如下图

IO 多路复用介绍

为每个客户端创建一个线程，服务器端的线程资源很容易被耗光。

 

当然还有个聪明的办法，我们可以每 accept 一个客户端连接后，将这个文件描述符（connfd）放到一个数组里。

fdlist.add(connfd);

然后弄一个新的线程去不断遍历这个数组，调用每一个元素的非阻塞 read 方法。

while(1) {
  for(fd <-- fdlist) {
    if(read(fd) != -1) {
      doSomeThing();
    }
  }
}

这样，我们就成功用一个线程处理了多个客户端连接。

你是不是觉得这有些多路复用的意思？

但这和我们用多线程去将阻塞 IO 改造成看起来是非阻塞 IO 一样，这种遍历方式也只是我们用户自己想出的小把戏，每次遍历遇到 read 返回 -1 时仍然是一次浪费资源的系统调用。

在 while 循环里做系统调用，就好比你做分布式项目时在 while 里做 rpc 请求一样，是不划算的。

所以，还是得恳请操作系统老大，提供给我们一个有这样效果的函数，我们将一批文件描述符通过一次系统调用传给内核，由内核层去遍历，才能真正解决这个问题。

select

select 是操作系统提供的系统调用函数，通过它，我们可以把一个文件描述符的数组发给操作系统， 让操作系统去遍历，确定哪个文件描述符可以读写， 然后告诉我们去处理：

select系统调用的函数定义如下。

int select(
    int nfds,
    fd_set *readfds,
    fd_set *writefds,
    fd_set *exceptfds,
    struct timeval *timeout);
// nfds:监控的文件描述符集里最大文件描述符加1
// readfds：监控有读数据到达文件描述符集合，传入传出参数
// writefds：监控写数据到达文件描述符集合，传入传出参数
// exceptfds：监控异常发生达文件描述符集合, 传入传出参数
// timeout：定时阻塞监控时间，3种情况
//  1.NULL，永远等下去
//  2.设置timeval，等待固定时间
//  3.设置timeval里时间均为0，检查描述字后立即返回，轮询

服务端代码，这样来写。

首先一个线程不断接受客户端连接，并把 socket 文件描述符放到一个 list 里。

while(1) {
  connfd = accept(listenfd);
  fcntl(connfd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
  fdlist.add(connfd);
}

然后，另一个线程不再自己遍历，而是调用 select，将这批文件描述符 list 交给操作系统去遍历。

while(1) {
  // 把一堆文件描述符 list 传给 select 函数
  // 有已就绪的文件描述符就返回，nready 表示有多少个就绪的
  nready = select(list);
  ...
}

不过，当 select 函数返回后，用户依然需要遍历刚刚提交给操作系统的 list。

只不过，操作系统会将准备就绪的文件描述符做上标识，用户层将不会再有无意义的系统调用开销。

while(1) {
  nready = select(list);
  // 用户层依然要遍历，只不过少了很多无效的系统调用
  for(fd <-- fdlist) {
    if(fd != -1) {
      // 只读已就绪的文件描述符
      read(fd, buf);
      // 总共只有 nready 个已就绪描述符，不用过多遍历
      if(--nready == 0) break;
    }
  }
}

正如刚刚的动图中所描述的，其直观效果如下。（同一个动图消耗了你两次流量，气不气？）

可以看出几个细节：

1. select 调用需要传入 fd 数组，需要拷贝一份到内核，高并发场景下这样的拷贝消耗的资源是惊人的。（可优化为不复制）

2. select 在内核层仍然是通过遍历的方式检查文件描述符的就绪状态，是个同步过程，只不过无系统调用切换上下文的开销。（内核层可优化为异步事件通知）

3. select 仅仅返回可读文件描述符的个数，具体哪个可读还是要用户自己遍历。（可优化为只返回给用户就绪的文件描述符，无需用户做无效的遍历）

整个 select 的流程图如下。

可以看到，这种方式，既做到了一个线程处理多个客户端连接（文件描述符），又减少了系统调用的开销（多个文件描述符只有一次 select 的系统调用 + n 次就绪状态的文件描述符的 read 系统调用）。

poll

poll 也是操作系统提供的系统调用函数。

int poll(struct pollfd *fds, nfds_tnfds, int timeout);

struct pollfd {
  intfd; /*文件描述符*/
  shortevents; /*监控的事件*/
  shortrevents; /*监控事件中满足条件返回的事件*/
};

它和 select 的主要区别就是，去掉了 select 只能监听 1024 个文件描述符的限制。

epoll

epoll 是最终的大 boss，它解决了 select 和 poll 的一些问题。

还记得上面说的 select 的三个细节么？

1. select 调用需要传入 fd 数组，需要拷贝一份到内核，高并发场景下这样的拷贝消耗的资源是惊人的。（可优化为不复制）

2. select 在内核层仍然是通过遍历的方式检查文件描述符的就绪状态，是个同步过程，只不过无系统调用切换上下文的开销。（内核层可优化为异步事件通知）

3. select 仅仅返回可读文件描述符的个数，具体哪个可读还是要用户自己遍历。（可优化为只返回给用户就绪的文件描述符，无需用户做无效的遍历）

所以 epoll 主要就是针对这三点进行了改进。

1. 内核中保存一份文件描述符集合，无需用户每次都重新传入，只需告诉内核修改的部分即可。

2. 内核不再通过轮询的方式找到就绪的文件描述符，而是通过异步 IO 事件唤醒。

3. 内核仅会将有 IO 事件的文件描述符返回给用户，用户也无需遍历整个文件描述符集合。

具体，操作系统提供了这三个函数。

第一步，创建一个 epoll 句柄

int epoll_create(int size);

第二步，向内核添加、修改或删除要监控的文件描述符。

int epoll_ctl(
  int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

第三步，类似发起了 select() 调用

int epoll_wait(
  int epfd, struct epoll_event *events, int max events, int timeout);

使用起来，其内部原理就像如下一般丝滑。

如果你想继续深入了解 epoll 的底层原理，推荐阅读飞哥的《图解 | 深入揭秘 epoll 是如何实现 IO 多路复用的！》，从 linux 源码级别，一行一行非常硬核地解读 epoll 的实现原理，且配有大量方便理解的图片，非常适合源码控的小伙伴阅读。

select和epoll函数的区别

select

select函数它支持最大的连接数是1024或2048，因为在select函数下要传入fd_set参数，这个fd_set的大小要么1024或2048（其实就看操作系统的位数）

fd_set就是bitmap的数据结构，可以简单理解为只要位为0，那说明还没数据到缓冲区，只要位为1，那说明数据已经到缓冲区。

而select函数做的就是每次将fd_set遍历，判断标志位有没有发现变化，如果有变化则通知程序做中断处理。

epoll 是在Linux2.6内核正式提出，完善了select 的一些缺点。

它定义了epoll_event结构体来处理，不存在最大连接数的限制。

并且它不像select函数每次把所有的文件描述符(fd)都遍历，简单理解就是epoll把就绪的文件描述符(fd)专门维护了一块空间，每次从就绪列表里边拿就好了，不再进行对所有文件描述符(fd)进行遍历。

​

IO多路复用总结

一切的开始，都起源于这个 read 函数是操作系统提供的，而且是阻塞的，我们叫它 阻塞 IO。

为了破这个局，程序员在用户态通过多线程来防止主线程卡死。

后来操作系统发现这个需求比较大，于是在操作系统层面提供了非阻塞的 read 函数，这样程序员就可以在一个线程内完成多个文件描述符的读取，这就是 非阻塞 IO。

但多个文件描述符的读取就需要遍历，当高并发场景越来越多时，用户态遍历的文件描述符也越来越多，相当于在 while 循环里进行了越来越多的系统调用。

后来操作系统又发现这个场景需求量较大，于是又在操作系统层面提供了这样的遍历文件描述符的机制，这就是 IO 多路复用。

多路复用有三个函数，最开始是 select，然后又发明了 poll 解决了 select 文件描述符的限制，然后又发明了 epoll 解决 select 的三个不足。

所以，IO 模型的演进，其实就是时代的变化，倒逼着操作系统将更多的功能加到自己的内核而已。

如果你建立了这样的思维，很容易发现网上的一些错误。

比如好多文章说，多路复用之所以效率高，是因为用一个线程就可以监控多个文件描述符。

这显然是知其然而不知其所以然，多路复用产生的效果，完全可以由用户态去遍历文件描述符并调用其非阻塞的 read 函数实现。而多路复用快的原因在于，操作系统提供了这样的系统调用，使得原来的 while 循环里多次系统调用，变成了一次系统调用 + 内核层遍历这些文件描述符。

就好比我们平时写业务代码，把原来 while 循环里调 http 接口进行批量，改成了让对方提供一个批量添加的 http 接口，然后我们一次 rpc 请求就完成了批量添加。

Tomcat Connector（BIO, NIO, APR）三种运行模式

Tomcat支持三种接收请求的处理方式：BIO、NIO、APR 。有人测试过的结果如下：

BIO

阻塞式I/O操作即使用的是传统 I/O操作，Tomcat7以下版本默认情况下是以BIO模式运行的，由于每个请求都要创建一个线程来处理，线程开销较大，不能处理高并发的场景，在三种模式中性能也最低。

配置如下(tomcat安装目录下的/conf/server.xml)：

启动Tomcat，控制台会输出如下log：

NIO

NIO是Java 1.4 及后续版本提供的一种新的I/O操作方式，是一个基于缓冲区、并能提供非阻塞I/O操作的Java API，它拥有比传统I/O操作(BIO)更好的并发运行性能。tomcat 8版本及以上默认就是在NIO模式下允许。

配置如下(tomcat安装目录下的/conf/server.xml)：

启动Tomcat，控制台会输出如下log：

APR

APR(Apache Portable Runtime/Apache可移植运行时)，是Apache HTTP服务器的支持库。你可以简单地理解为，Tomcat将以JNI的形式调用Apache HTTP服务器的核心动态链接库来处理文件读取或网络传输操作，从而大大地提高Tomcat对静态文件的处理性能。 Tomcat apr也是在Tomcat上运行高并发应用的首选模式。

如果我们的Tomcat不是在apr模式下运行，在启动Tomcat的时候，我们可以在日志信息中看到类似如下信息：

INFO: The APR based Apache Tomcat Native library which allows optimal performance in production environments was not found on the java.library.path: /usr/java/packages/lib/amd64:/usr/lib64:/lib64:/lib:/usr/lib

从Tomcat 7.0.30版本开始，默认就是在Tomcat apr模式下运行。
配置如下(tomcat安装目录下的/conf/server.xml)：