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1.IO模型

IO是Input/Output的縮寫。Linix網(wǎng)絡(luò)編程中有五種IO模型：

• blocking IO(阻塞IO)
• nonblocking IO(非阻塞IO)
• IO multiplexing(多路復(fù)用IO)
• signal driven IO(信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO)
• asynchronous IO(異步IO)

簡(jiǎn)介

• Java.io包基于流模型實(shí)現(xiàn)，提供File抽象、輸入輸出流等IO的功能。交互方式是同步、阻塞的方式，在讀取輸入流或者寫入輸出流時(shí)，在讀、寫動(dòng)作完成之前，線程會(huì)一直阻塞。java.io包的好處是代碼比較簡(jiǎn)單、直觀，缺點(diǎn)則是IO效率和擴(kuò)展性存在局限性，容易成為應(yīng)用性能的瓶頸。
• Java.net下面提供的部分網(wǎng)絡(luò)API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection 也時(shí)常被歸類到同步阻塞IO類庫(kù)，網(wǎng)絡(luò)通信同樣是IO行為
• Java 1.4中引入了NIO框架(java.nio 包)，提供了Channel、Selector、Buffer等新的抽象，可以構(gòu)建多路復(fù)用IO程序，同時(shí)提供更接近操作系統(tǒng)底層的高性能數(shù)據(jù)操作方式。
• Java7中，NIO有了進(jìn)一步的改進(jìn)，也就是NIO2，引入了異步非阻塞IO方式，也被稱為AIO(Asynchronous IO)，異步IO操作基于事件和回調(diào)機(jī)制。

首先了解下同步\異步、阻塞\非阻塞的區(qū)別

同步與異步

同步和異步是針對(duì)的是用戶進(jìn)程與內(nèi)核的交互方式。

同步指的是用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否就緒。例如：自己去銀行辦理業(yè)務(wù)，自己只能一直干這件事，其他事情只能等這件是做完后再做

異步指的是用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作以后便開(kāi)始做其他的事情，而當(dāng)IO操作已經(jīng)完成的時(shí)候會(huì)得到IO完成的通知。例如：委托親屬去銀行辦理業(yè)務(wù)，然后自己可以去干別的事。(使用異步I/O時(shí)，Java將I/O讀寫委托給OS處理，需要將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址和大小傳給OS)。

阻塞與非阻塞

• 阻塞和非阻塞是針對(duì)進(jìn)程在訪問(wèn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，根據(jù)IO操作的就緒狀態(tài)來(lái)采取的不同方式。
• 阻塞指的是當(dāng)試圖對(duì)該文件描述符進(jìn)行讀寫時(shí)，如果當(dāng)時(shí)沒(méi)有東西可讀，或暫時(shí)不可寫，程序就進(jìn)入等待狀態(tài)，直到有東西可讀或可寫為止。去辦理業(yè)務(wù)時(shí)，人過(guò)多需要排隊(duì)，此時(shí)就在原地等待，一直等到自己為止。

非阻塞指的是如果沒(méi)有東西可讀，或不可寫，讀寫函數(shù)馬上返回，而不會(huì)等待。在銀行里辦業(yè)務(wù)時(shí)，領(lǐng)取一張小票，之后我們可以玩手機(jī)，或與別人聊聊天，當(dāng)輪到我們時(shí)，銀行的喇叭會(huì)通知，這時(shí)候我們就可以去辦業(yè)務(wù)了。

注意，這里辦業(yè)務(wù)的時(shí)候，還是需要我們也參與其中的，這和異步是完全不同的，因此同步\異步、阻塞\非阻塞，是完全不同的兩個(gè)概念，二者不要混淆

I/O模型分類

應(yīng)用程序向操作系統(tǒng)發(fā)出IO請(qǐng)求：應(yīng)用程序發(fā)出IO請(qǐng)求給操作系統(tǒng)內(nèi)核，操作系統(tǒng)內(nèi)核需要等待數(shù)據(jù)就緒，這里的數(shù)據(jù)可能來(lái)自別的應(yīng)用程序或者網(wǎng)絡(luò)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)IO分為兩個(gè)階段：

1. 等待數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可能來(lái)自其他應(yīng)用程序或者網(wǎng)絡(luò)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序就阻塞等待。
2. 拷貝數(shù)據(jù)：將就緒的數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用程序工作區(qū)。

在Linux系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)的IO操作是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用recvfrom()，即一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用recvfrom包含兩步，等待數(shù)據(jù)就緒和拷貝數(shù)據(jù)。

同步阻塞IO

在此種方式下，用戶進(jìn)程在發(fā)起一個(gè)IO操作以后，必須等待IO操作的完成，只有當(dāng)IO操作完成之后，用戶進(jìn)程才能運(yùn)行。JAVA傳統(tǒng)的BIO屬于此種方式。(jdk1.4以前)

同步非阻塞IO

JAVA NIO(jdk1.4以后引入)

在此種方式下，用戶進(jìn)程發(fā)起一個(gè)IO操作以后邊可返回做其它事情，但是用戶進(jìn)程需要時(shí)不時(shí)的詢問(wèn)IO操作是否就緒，這就要求用戶進(jìn)程不停的去詢問(wèn)，從而引入不必要的CPU資源浪費(fèi)。JAVA的NIO就屬于同步非阻塞IO

多路復(fù)用IO

redis、nginx、netty;reactor模式

select，epoll;有時(shí)也稱這種IO方式為事件驅(qū)動(dòng)IO。

select/epoll的好處就在于單個(gè)process就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的IO。它的基本原理就是select/epoll這個(gè)函數(shù)會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程.

多路復(fù)用中，通過(guò)select函數(shù)，可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)IO請(qǐng)求的內(nèi)核操作，只要有任意一個(gè)IO的內(nèi)核操作就緒，都可以通知select函數(shù)返回，再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用recvfrom()完成IO操作。

這個(gè)過(guò)程應(yīng)用程序就可以同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)IO請(qǐng)求，這比起基于多線程阻塞式IO要先進(jìn)得多，因?yàn)榉?wù)器只需要少數(shù)線程就可以進(jìn)行大量的客戶端通信。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)式IO模型

在unix系統(tǒng)中，應(yīng)用程序發(fā)起IO請(qǐng)求時(shí)，可以給IO請(qǐng)求注冊(cè)一個(gè)信號(hào)函數(shù)，請(qǐng)求立即返回，操作系統(tǒng)底層則處于等待狀態(tài)(等待數(shù)據(jù)就緒)，直到數(shù)據(jù)就緒，然后通過(guò)信號(hào)通知主調(diào)程序，主調(diào)程序才去調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)recvfrom()完成IO操作。

信號(hào)驅(qū)動(dòng)也是一種非阻塞式的IO模型，比起上面的非阻塞式IO模型，信號(hào)驅(qū)動(dòng)式IO模型不需要輪詢檢查底層IO數(shù)據(jù)是否就緒，而是被動(dòng)接收信號(hào)，然后再調(diào)用recvfrom執(zhí)行IO操作。

比起多路復(fù)用IO模型來(lái)說(shuō)，信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO模型針對(duì)的是一個(gè)IO的完成過(guò)程， 而多路復(fù)用IO模型針對(duì)的是多個(gè)IO同時(shí)進(jìn)行時(shí)候的場(chǎng)景。

異步IO

在此種模式下，整個(gè)IO操作(包括等待數(shù)據(jù)就緒，復(fù)制數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序工作空間)全都交給操作系統(tǒng)完成。數(shù)據(jù)就緒后操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)拷貝進(jìn)應(yīng)用程序運(yùn)行空間之后，操作系統(tǒng)再通知應(yīng)用程序，這個(gè)過(guò)程中應(yīng)用程序不需要阻塞

區(qū)別

如果你在燒水：

同步阻塞：你將水放在爐子上，然后在那兒等著，還要一直觀察：水燒開(kāi)了沒(méi)啊!

同步非阻塞：你將水放在爐子上，就去看電視了了。每過(guò)一會(huì)，就到爐子邊觀察：水燒開(kāi)了沒(méi)啊!

多路復(fù)用：有人改進(jìn)了燒水壺，水開(kāi)了之后會(huì)自動(dòng)發(fā)出哨聲，你只需要安心看電視等待哨響通知你水燒開(kāi)了。

異步非阻塞：你安排其他人燒水,水燒開(kāi)后放在特地場(chǎng)合，會(huì)打電話通知你，安心看電視等待就可以了。

阻塞、非阻塞、多路IO復(fù)用，都是同步IO，異步必定是非阻塞的，所以不存在異步阻塞和異步非阻塞的說(shuō)法。真正的異步IO需要CPU的深度參與。換句話說(shuō)，只有用戶線程在操作IO的時(shí)候根本不去考慮IO的執(zhí)行，全部都交給CPU去完成，而只需要等待一個(gè)完成信號(hào)的時(shí)候，才是真正的異步IO。所以，fork子線程去輪詢、死循環(huán)或者使用select、poll、epoll，都不是異步

比較經(jīng)典的一個(gè)舉例

阻塞I/O模型

老李去火車站買票，排隊(duì)三天買到一張退票。耗費(fèi)：在車站吃喝拉撒睡 3天，其他事一件沒(méi)干。

非阻塞I/O模型

老李去火車站買票，隔12小時(shí)去火車站問(wèn)有沒(méi)有退票，三天后買到一張票。耗費(fèi)：往返車站6次，路上6小時(shí)，其他時(shí)間做了好多事。

I/O復(fù)用模型

1.select/poll 老李、老王、老劉…一行人去火車站買票，一起委托給黃牛(select黃牛最大只能接1024個(gè)人的訂單/pool黃牛不限制)，select/pool黃牛一直等待出票結(jié)果，待黃牛取到票后，不知道這張票是屬于誰(shuí)的(需要根據(jù)票面逐一詢問(wèn))，確認(rèn)后通知相應(yīng)人去火車站交錢領(lǐng)票。

2.epoll 老李、老王、老劉…一行人(無(wú)人員個(gè)數(shù)限制)去火車站買票，一起委托給黃牛，黃牛買到后不需要確認(rèn)就可以知道這張票的委托人是誰(shuí)，然后通知其去火車站交錢領(lǐng)票。

多路復(fù)用的意思是：黃牛在承接老李的訂單之后，同時(shí)也接了老王、老劉的購(gòu)票訂單;大家使用同一個(gè)黃牛

信號(hào)驅(qū)動(dòng)I/O模型

老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員電話通知老李，然后老李去火車站交錢領(lǐng)票。耗費(fèi)：往返車站2次，路上2小時(shí)，免黃牛費(fèi)100元，無(wú)需打電話，也不需要黃牛

異步I/O模型

老李去火車站買票，給售票員留下電話，有票后，售票員快遞送票上門后電話通知其收貨。耗費(fèi)：往返車站1次，路上1小時(shí)，免黃牛費(fèi)100元，無(wú)需打電話，也不需要黃牛

再談IO多路復(fù)用

I/O多路復(fù)用就通過(guò)一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個(gè)描述符，一旦某個(gè)描述符就緒(一般是讀就緒或者寫就緒)，能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。但select，poll，epoll本質(zhì)上都是同步I/O，因?yàn)樗麄兌夹枰谧x寫事件就緒后自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，也就是說(shuō)這個(gè)讀寫過(guò)程是阻塞的，而異步I/O則無(wú)需自己負(fù)責(zé)進(jìn)行讀寫，異步I/O的實(shí)現(xiàn)會(huì)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶空間。

多路復(fù)用如下面所示：指的其實(shí)是在單個(gè)線程通過(guò)記錄跟蹤每一個(gè)Sock(I/O流)的狀態(tài)來(lái)同時(shí)管理多個(gè)I/O流

個(gè)人的一些理解：

如上圖做一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻：左邊有若干取水器，需要到右邊水龍頭進(jìn)行取水操作，每個(gè)取水器和水龍頭是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但是中間段是斷開(kāi)的，需要將水管連接上(一個(gè)水管相當(dāng)于一個(gè)IO線程)，才可以進(jìn)行取水操作了(注意水龍頭不是一直都有水流的，只有當(dāng)取水器連接上才會(huì)觸發(fā)輸水操作)。下面依次對(duì)不同的IO模型進(jìn)行講解：

1、傳統(tǒng)阻塞BIO：每個(gè)取水器和水龍頭之間都需要一個(gè)連接水管，水管連接上觸發(fā)取水操作，水龍頭才會(huì)輸水。這樣有幾個(gè)取水器就需要幾個(gè)水管，另外水管接上之后并不會(huì)馬上就能取到水，之間一直處于阻塞狀態(tài)，當(dāng)取水器過(guò)多時(shí)沒(méi)有足夠的水管來(lái)進(jìn)行連接

線程池模式：水池中存在10根水管，每當(dāng)取水器有取水請(qǐng)求時(shí)，就去水池中拿一根水管使用，水管會(huì)根據(jù)取水器編號(hào)接到相應(yīng)的水龍頭上。當(dāng)取水器請(qǐng)求過(guò)多時(shí)，需要不停的進(jìn)行水管切換。

2、多路復(fù)用IO：

select/poll:全部的取水器均復(fù)用一根水管，沒(méi)有多余的水管可用，所有的取水器均接到這一根水管上。(區(qū)別是select模式僅支持1024個(gè)取水器的接入，而poll不限制取水器個(gè)數(shù))。當(dāng)水龍頭有水流過(guò)來(lái)時(shí)，水管會(huì)提前收到通知，但不知道是哪個(gè)水龍頭。則此時(shí)水管需要每個(gè)水龍頭都接上試一下，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)水龍頭有水流時(shí)則將其運(yùn)到與其相連的取水器中。

epoll部的取水器均復(fù)用一根水管，沒(méi)有多余的水管可用，所有的取水器均接到這一根水管上。(與select/poll區(qū)別是：當(dāng)水龍頭有水流過(guò)來(lái)時(shí)，水管就已經(jīng)知道是哪根水龍頭在運(yùn)水了，直接將水管接上相應(yīng)的水龍頭即可)。

偽代碼描述各IO區(qū)別

非阻塞忙輪詢式

while true 
{ 
  for i in fd[] 
  { 
      if i has data 
      read until unavailable 
  } 
} 

把所有流從頭到尾查詢一遍，就可以處理多個(gè)流了，但這樣做很不好，因?yàn)槿绻械牧鞫紱](méi)有I/O事件，白白浪費(fèi)CPU時(shí)間片

select：服務(wù)端一直在輪詢、監(jiān)聽(tīng)如果有客戶端鏈接上來(lái)就創(chuàng)建一個(gè)連接放到數(shù)組A中，繼續(xù)輪詢這個(gè)數(shù)組，如果在輪詢的過(guò)程中有客戶端發(fā)生IO事件就去處理;select只能監(jiān)視1024個(gè)連接(一個(gè)進(jìn)程只能創(chuàng)建1024個(gè)文件);而且存在線程安全問(wèn)題;

while true 
{ 
  select(fds[]) //阻塞這里，直到有一個(gè)流有I/O事件時(shí)，才往下執(zhí)行，數(shù)組的大小只有1024 
  for i in fds[] 
  { 
      if i has data 
      read until unavailable 
  } 
} 

它僅僅知道了，有I/O事件發(fā)生了，卻并不知道是哪那幾個(gè)流(可能有一個(gè)，多個(gè)，甚至全部)，我們只能無(wú)差別輪詢所有流，找出能讀出數(shù)據(jù)，或者寫入數(shù)據(jù)的流，對(duì)他們進(jìn)行操作。所以select具有O(n)的無(wú)差別輪詢復(fù)雜度，同時(shí)處理的流越多，無(wú)差別輪詢時(shí)間就越長(zhǎng)

• poll：在select做了許多修復(fù)，比如不限制監(jiān)測(cè)的連接數(shù);但是也有線程安全問(wèn)題;

poll本質(zhì)上和select沒(méi)有區(qū)別，它將用戶傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢每個(gè)fd對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)， 但是它沒(méi)有最大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來(lái)存儲(chǔ)的.

• epoll：也是監(jiān)測(cè)IO事件，但是如果發(fā)生IO事件，它會(huì)告訴你是哪個(gè)連接發(fā)生了事件，就不用再輪詢?cè)L問(wèn)。而且它是線程安全的，但是只有l(wèi)inux平臺(tái)支持;

while true 
{ 
  active_fds[] = epoll_wait(epollfd) 
  for i in active_fds[] 
  { 
      read or write till 
  } 
} 

epoll可以理解為event poll，不同于忙輪詢和無(wú)差別輪詢，epoll會(huì)把哪個(gè)流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們。所以我們說(shuō)epoll實(shí)際上是事件驅(qū)動(dòng)(每個(gè)事件關(guān)聯(lián)上fd)的，此時(shí)我們對(duì)這些流的操作都是有意義的。(復(fù)雜度降低到了O(1))