Netty权威指南——基础篇5 IO基础备份

1 什么是I/O

在UNIX世界里一切皆是文件，而文件是什么？文件就是一串二进制流而已，其实不管是Socket，还是FIFO（先进先出队列）、管道、终端。对计算机来说，一切都是文件，一切都是流。在信息交换的过程中，计算机都是对这些流进行数据的收发操作，简称为I/O操作，包括往流中读出数据、系统调用Read、写入数据、系统调用write。不过计算机里有那么多流，怎么知道要操作哪个流呢？实际上由操作系统内核创建文件描述符（FD）来标识的，一个FD就是一个非负数，所以对这个整数的操作就素对这个文件（流）的操作。创建一个Socket，通过系统调用会返回一个FD，那么剩下的对Socket操作就会转化为对这个描述符的操作，这又是一种分层和抽象的思想。

2 I/O交互流程

通常用户进程中的一次完整I/O交互流程分为两个阶段，首先是经过内核空间，也就是由操作系统处理；紧接着就是到用户空间，也就是交由应用程序。具体交互流程如下图：

内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中，Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用。每个进程都有各自的私有用户空间（0~3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的Q1G虚拟内核空间则为所有进程及内核共享。

操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，两者不能简单的使用指针传递数据。因为Linux使用的虚拟内存机制，必须通过系统调用请求Kernel来协助完成I/O操作，内核会为每个I/O设备维护一个缓冲区，用户空间的数据可能被换出，所以当内核空间使用用户空间的指针时，对应的数据可能不在内存中。

对于一个输入操作来说，进程I/O系统调用后，内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据，如果没有再到设备中读取。因为设备I/O一般速度较慢，而且等待，内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间。所以，一个网络输入数据通常包括两个不同阶段。

1、等待网络数据到达网卡，然后将数据读取到内核缓冲区。

2、从内核缓冲区复制数据，然后拷贝到用户空间。

I/O有内存I/O、网络I/O和磁盘I/O三种，通常我们说的I/O指的是后两者。如下图所示是I/O通信过程的调度示意图：

3 五种I/O通信模型

在网络环境下，通俗的讲，将I/O分为两步：第一步是等待，第二步是数据搬迁。

如果想要提高I/O效率，需要将等待时间降低。因此发展出来五种I/O模型，分别是：阻塞I/O模型，非阻塞I/O模型，多路复用I/O模型，信号驱动I/O模型，异步I/O模型。其中，前四种被称为同步I/O，下面对每一种I/O模型进行详细分析。

3.1 阻塞I/O模型

阻塞I/O模型通信过程如下图所示：

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，内核就开始了I/O的第一个阶段：准备数据。对于网络I/O来说，很多时候数据在一开始还没有到达，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，整个进程就会阻塞，当数据准备好时，它就会将数据从内核拷贝到用户内存，然后返回结果，用户进程才接触阻塞的状态，重新运行起来。几乎所有的开发者第一次接触到的网络编程都是从listen()、send()、recv()等接口开始的，这些接口都是阻塞型的。阻塞I/O的特性总结如下：

3.2 非阻塞I/O模型

非阻塞I/O模型的通信过程示意图如下：

当用户进程发出read操作时，如果内核中的数据还没有准备好，那么它不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲，它发起一个read操作，并不需要等待，而是马上就能得到一个结果，用户进程判断结果是一个error时，他就知道数据还没有准备好。于是它可以再次发起read操作，一旦内核中的数据准备好，并且再次收到用于进程的系统调用，那么它会马上将数据拷贝到用户内存，然后返回，非阻塞型接口相比于阻塞型接口的显著差异在于，再被调用之后立即返回。非阻塞型I/O模型的特性总结如下图：

非阻塞模式套接字与阻塞模式套接字相比，不容易使用。使用非阻塞模式套接字，需要编写更多的代码，但是，非阻塞模式套接字在控制建立多个连接、数据的收发量不均、时间不定时，具有明显优势。

3.3 多路复用I/O模型

多路复用I/O模型的通信过程如下图：

多个进程的I/O可以注册到一个复用器（Selector）上，当用户进程调用该Selector，Selector会监听注册进来的所有I/O，如果Selector监听的所有I/O 在内核缓冲区都没有可读数据，select调用进程会被阻塞，而当任一I/O在内核缓冲区中有可读数据时，select调用就会返回，而后select调用进程可以自己活通知另外的进程（注册进程）再次发起读取I/O，读取内核中准备好的数据，多个进程注册I/O 后，只有一个select调用进程被阻塞。

多路复用I/O 相对阻塞和非阻塞更难简单说明，所以额外解释一段，其实多路复用I/O 模型和阻塞I/O 模型并没有太大的不同，事实上，还更差一些，因为这里需要使用两个系统调用（select和recvfrom），而阻塞I/O 模型只有一个系统调用（recvfrom）。但是，用Selector的优势在于它可以同时处理多个连接，所以如果处理的连接数不是很多，使用select/epoll的Web Server不一定比使用多线程加阻塞I/O 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更好，而是能处理更多的连接。多路复用I/O模型的特性总结如下：

3.4 信号驱动I/O模式

信号驱动I/O模式通信过程如下图;

信号驱动I/O是指进程预先告知内核，向内核注册一个信号处理函数，然后用户集成返回不阻塞，当内核数据就绪时就会发送一个信号给进程，用户进程便在信号处理函数中调用I/O读取数据。从上图可以看出，实际上I/O 内核拷贝到用户进程的过程还是阻塞的，信号驱动I/O并没有实现真正的异步，因为通知到进程之后，依然由进程来完成I/O 操作。这和后面的异步I/O 容易混淆，需要理解I/O 交互并结合五种I/O 模型进行比较阅读。信号驱动I/O 模型的特性总结如下：

3.5 异步I/O模型

异步I/O模型的通信过程如下图：

用户进程发起aio_read操作后，给内核传递与read相同的描述符、缓冲区指针、缓冲区大小三个参数及文件偏移，告诉内核当某个操作完成时，如何通知我们立即就可以开始去做其他的事情；而另一方面，从内核的角度，当它收到一个aio_read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞，内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成后，内核会给用户进程发送一个信号，告诉它aio_read操作完成。

异步I/O的工作机制是：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们，这种模式与信号驱动I/O模型的区别在于，信号驱动I/O模型是由内核通知我们何时可以启动一个I/O操作，这个I/O操作由用户自定义的信号函数实现，而异步I/O模型由内核告知我们I/O操作何时完成。

异步I/O模型的特性总结如下：

3.6 容易混淆的概念澄清

在实际开发中，经常会听到同步、异步、阻塞、非阻塞这些概念，每次到遇到都会疑惑。下面我们来探讨它们之间的区别和联系。

3.6.1 异步和同步

同步和异步其实是指CPU时间片的利用，主要看请求发起方对消息结果的获取是主动发起的，还是别动通知的，如下图所示：

如果是请求方主动发起的，一直在等待应答结果（同步阻塞），或者可以先去处理其他事情，但要不断轮询查看发起的请求是否有应答结果（同步非阻塞），因为不管如何都要发起方主动获取消息结果，所以形式上还是同步操作。如果有服务方通知的，也就是请求方发出请求后，要么一直等待通知（异步阻塞），要么先去干自己的事（异步非阻塞）。当事情处理完成后，服务方会主动通知请求方，它的请求已经完成，这就是异步。异步通知的方式一般通过状态改变、消息通知或者回调函数来完成，大多数时候采用的都是回调函数。

3.6.2 阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞在计算机的世界里，通常针对I/O操作，如网络I/O和磁盘I/O等。那么什么是阻塞和非阻塞呢？简单来说，就是我们调用一个函数后，在等待这个函数返回结果之前，当先的线程是出于挂起状态，就意味着当前线程什么都不干，只等着获取结果，这就是同步阻塞；如果仍然是运行装填，就意味着当前线程是可以继续处理其他任务的，但要时不时的看一下是否有结果，这就是同步非阻塞。具体如下图：

3.6.3 各I/O模型的对比与总结

其实前四种I/O模型都是同步I/O操作，它们的区别在于第一阶段，而第二阶段是一样的：在数据从内核拷贝到应用缓冲区期间（用户空间），进程阻塞于recvfrom调用。

有人会认为，NIO并没有被阻塞。这里有个非常特殊的地方，定义中所指的“I/O Operation”是指真实的I/O操作。NIO在执行recvfrom的时候，如果内核（Kernel）的数据没有准备好，这时候不会阻塞进程。但是，当内核中数据准备好的时候，recvfrom会把数据从内核拷贝到用户内存中，这个时候进程就被阻塞了。在这段时间内，进程是被阻塞的。下图是各I/O模型的阻塞状态对比。

从上图可以看出，阻塞程度：阻塞I/O > 非阻塞I/O > 多路复用I/O > 信号驱动I/O > 异步I/O，效率是由低到高的。最后，再看一下表，从多维度总结了各I/O模型之间的差异，可以加深理解。

4 从BIO到NIO的演进

下表总结了Java BIO 和 NIO 之间的主要差异。

4.1 面向流与面向缓冲

Java NIO和BIO之间第一个最大的区别是，BIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。BIO面向流意味着每次从流中读取一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓冲在任何地方。此外，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的缓冲处理方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可以在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程的灵活性。但是，还需要检查该缓冲区是否包含所有需要处理的数据，而且，要确保当更多的数据读入缓冲区时，不能覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

4.2 阻塞与非阻塞

BIO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，或者数据完全写入。该线程在此期间不能在干任何事情。NIO的非阻塞模式，是一个线程从某通道（Channel）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，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直到数据变成可读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写入也是如此。一个线程请求写入某通道一下数据，但不需要等待它完成写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞I/O 的空闲时间用于在其他通道上执行I/O操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个I/O通道。

4.3 选择器在I/O中的应用

NIO的选择器(Selector)允许一个单独的线程监视多个输入通道，可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来"选择"通道：这些通道里已经有可以处理的输入，或者选择已准备写入的通道。这种选择机制使一个单独的线程很容易管理多个通道。

5 Java AIO详解

JDK1.7(NIO2.0)才是实现真正的异步AIO，把I/O读写操作完全交给操作系统，学习了Linux Epoll 模式下，来做一些演示。

5.1 AIO基本原理

Java AIO 处理API中，重要的三个类分别是：AsynchronousServerSocketChannel.java(服务端)、AsynchronousSocketChannel.java(客户端)、CompletionHandler.java(用户处理器)。CompletionHandler接口实现应用程序向操作系统发起I/O请求，当完成后处理具体逻辑，否则做自己该做的事情，“真正”的异步I/O需要操作系统更强的支持。在多路复用I/OO模型中，事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程，由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步I/O模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕，并放在了用户线程指定的缓冲区中，内核在I/O完成后通知用户线程直接使用即可。异步I/O模型使用Proactor设计模式实现这一个机制，如下图所示：

5.2 AIOdemo

基于AIO先写一段简单的代码，来感受一下服务端和客户端的交互过程。

public class AIOServer {
    private int port;
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8000;
        new AIOServer(port);
    }

    public AIOServer(int port) {
        this.port = port;
        listen();
    }
    private void listen(){
        try {
            ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
            AsynchronousChannelGroup threadGroup = AsynchronousChannelGroup.
                    withCachedThreadPool(service, 1);
            final AsynchronousServerSocketChannel server =
                    AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup);
            server.bind(new InetSocketAddress(port));
            System.out.println("服务已启动，监听端口:"+port);
            server.accept(null,
                    new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
                        final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        @Override
                        public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment) {
                            System.out.println("I/O操作成功，开始获取数据");
                            try {
                                buffer.clear();
                                result.read(buffer).get();
                                buffer.flip();
                                result.write(buffer);
                                buffer.flip();
                            }catch (Exception e){
                                e.printStackTrace();
                            }finally {
                                try {
                                    result.close();
                                    server.accept(null,this);
                                }catch (Exception e){
                                    e.printStackTrace();
                                }
                            }
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                            System.out.println("I/O操作失败");
                        }



            });
            try {
                Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
            }catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上述代码的主要功能就是开启一个监听端口，然后在CompletionHandler 中处理接收到消息以后的逻辑，将接收到的信息再输出给客户端。下面来看客户端的代码：

public class AIOClient {
    private  AsynchronousSocketChannel client = null;
    public AIOClient() throws Exception{
        client = AsynchronousSocketChannel.open();
    }
    public void connect(String host,int port) throws Exception{
        client.connect(new InetSocketAddress(host, port), null, new CompletionHandler<Void, Void>() {
            @Override
            public void completed(Void result, Void attachment) {
                try {
                    client.write(ByteBuffer.wrap("这是一条测试数据".getBytes())).get();
                    System.out.println("已发送至服务器");
                }catch (Exception e1){
                    e1.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
        final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        client.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {

            @Override
            public void completed(Integer result, Object attachment) {
                System.out.println("I/O操作完成" + result);
                System.out.println("获取反馈结果" + new String(buffer.array()));
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
        try {
            Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
        }catch (InterruptedException e2){
            e2.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new AIOClient().connect("127.0.0.1",8000);
    }
}