Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

Netty简述

Netty是一个高性能的网络编程框架。

上面提到了几个关键的字眼，高性能，网络编程，框架。这些概括Netty的本质。

Netty是一个NIO客户端服务器框架，可以快速轻松地开发协议服务器和客户端等网络应用程序。它极大地简化并简化了TCP和UDP套接字服务器等网络编程。

“快速简便”并不意味着最终的应用程序会受到可维护性或性能问题的影响。Netty经过精心设计，具有丰富的协议，如FTP，SMTP，HTTP以及各种二进制和基于文本的传统协议。因此，Netty成功地找到了一种在不妥协的情况下实现易于开发，性能，稳定性和灵活性的方法。

先来简单看一下Netty的架构图：

从图中可以看出，Netty的架构分为三块，核心（Core），通信服务（Transport Services）还有各种协议（Protocol Support）。我们想象将来要学习的内容都和这些有关系。通过架构图对其有个基本印象。

Linux  I/O 模型

在Linux中，将I/O模型分为五种类型：

1. 阻塞式 I/O 模型

2. 非阻塞式 I/O 模型

3. I/O 复用

4. 信号驱动式 I/O  

5. 异步  I/O 

Linux中的I/O流程概括来说可以分为两步：

1>等待数据准备好（Waiting for the data to be ready）

2>从内核向进程复制数据（Copying the data from the kernel to the process）

来看下面的图片：

从上面的流程可以看出，首先是内核空间把数据从硬件（磁盘）中读到内核空间的缓冲区中，进行这一步操作时，数据处于内核态，通过磁盘驱动器，把数据从磁盘读到内核缓冲区来。下一步是把数据从内核缓冲区拷贝到用户空间的缓冲区，数据由内核态变为用户态。

知识普及：Linux中的程序大致运行在两个空间，自己的程序运行在用户空间，用户空间的权限有限，相对的另外一个空间是内核空间，比如驱动程序或者一些核心的系统调用都是在内核空间完成的。我们的I/O操作当在一个用户空间做系统调用的时候，数据会自动从用户态变到内核态来进行操作，完成了以后再从内核空间拷贝到用户空间。这种状态的切换是为了保证安全。比如在我们32位的操作系统中，大部分是4G的内存，一般前面一个G主要是内核态使用，后面三个G是用户态使用。

阻塞式 I/O 模型

阻塞式I/O是我们最常见的一种IO，当我们发起一个IO请求之后，开始进行系统调用，数据变为内核态，这两个阶段是一直处于阻塞的。数据开始从磁盘拷贝到内核空间，处理完后再从内核空间拷贝到应用空间，数据变为用户态。这整个的过程涉及到的所有程序线程都是在等待状态。比如我们Java普通的Socket编程，就是这样一个流程。整个过程中数据没有完成前，接收方都是出于等待状态，这就是阻塞式IO模型。明显可见效率不会高。

非阻塞式 I/O 模型

这种方式的特点是调用的时候不会等待（也就是不会阻塞），系统如果没有数据，就会立刻告诉你现在没数据，会立刻返回，然后由调用方自己去问现在有没有，如果没有就下次再问有没有，相当于不断去轮询结果，直到某个时刻被告知有结果了，这个时候数据已经从磁盘拷贝到内核空间了，数据也处于内核态，就差最后从内核态拷贝到用户空间，但是，从内核空间拷贝到用户空间，让数据从内核态变为用户态，这个过程在非阻塞式 I/O 模型中，也是阻塞的！所以效率也不会太高。

I/O 复用模型

复用的意思是，系统一次去查看多个io的进度，看哪一个有了结果，对于有结果的，就开始执行下面从内核空间拷贝到用户空间的操作，这个模型和上面非阻塞式 I/O 模型的区别是，非阻塞式 I/O 模型一次只看一个结果好了没有，而IO复用模型一次可以查看多个，一次监控一批系统调用好了没有，这是复用模型的特点。在一定程度上，能提高一些效率。

信号驱动式 I/O 模型

在Linux系统中，有一种信号机制，也就是说调用方可以注册一个信号，当系统调用完成之后，可以通知这个信号，那注册信号的人就会知道这个请求已经完成了，这种信号机制应用在IO当中就是信号驱动式IO。这样就不是查看结果是否好了，而是被通知的一种方式。不过通知后，从内核态到用户态这个过程还是阻塞的。纯异步的模型就是下面要说的这个。

异步  I/O模型

这种模型是真正的纯异步的IO模型，当开始系统调用，数据从磁盘读到内核空间，并且从内核态已经拷贝到了用户态之后，整个流程已经完成了，然后在进行回调，通知调用方。主要的区别在于不是在内核空间中完成了就通知，而是由内核空间到了用户空间后再通知，没有任何阻塞的过程，是一种更加彻底的异步IO。

各种I/O模型之间的比较

阻塞式IO就是发起调用之后，就一直阻塞，在等着，直到整个IO完成。在这个过程当中，进程是不能干任何事情的。都在等待。

非阻塞式IO就是，进程会主动去问好了没，好了没，好了没。。。直到得到回复好了，然后发起读请求，把数据从内核空间拷贝到用户空间。这个过程是阻塞的。

IO复用模型，就是每次都查看多个结果好了没，如果发现n个当中有一两个有了结果，就返回，有结果的这些开始拷贝。

信号驱动式IO模型，就是等数据拷贝到内核空间再通知，前面这段时间可以做别的事情，等内核空间准备好了，通知，再把数据从内核空间拷贝到用户空间。

异步IO模型，就是发起调用后就彻底不管了，等数据好了后从内核空间拷贝到用户空间了，再进行通知，整个过程没有阻塞的步骤。

从比较重来看，异步IO从理论上来看是最好的，不存在任何阻塞的时间，系统资源理论上可以得到充分利用。

同步VS异步

lPOSIX标准将同步I/O和异步I/O定义为：

同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成。

异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。

从定义上看，只有最后的异步IO模型是真正的异步，前面四种都达不到真正的异步。但是目前来看，纯异步的IO一直都不太成熟，比较混乱，没有一个标准的解决方案。用的最多的还是IO复用模型，这个是目前为止比较成熟的一个模型。

在Java中，我们用的最多的Socket网络编程，就是阻塞式IO模型，后来的NIO就是IO复用模型，在Java中不支持信号驱动模型。Java的NIO2.0，也叫AIO，提供了纯异步的IO模型，但是现在的异步IO模型还不是很成熟，所以用的最多的就是NIO，也就是IO复用模型。    

推荐书籍《Unix网络编程》，推荐理由：网络编程的经典之作，经历了很多年，内容基本变化不大，原理性书籍，是网络编程的必看之书。