I/O（ INPUT OUTPUT），包括文件I/O、網絡I/O。
計算機世界裡的速度鄙視：
- 內存讀數據：納秒級別。
- 千兆網卡讀數據：微妙級別。1微秒=1000納秒，網卡比內存慢了千倍。
- 磁盤讀數據：毫秒級別。1毫秒=10萬納秒 ，硬盤比內存慢了10萬倍。
- CPU一個時鐘週期1納秒上下，內存算是比較接近CPU的，其他都等不起。
CPU 處理數據的速度遠大於I/O準備數據的速度 。
任何編程語言都會遇到這種CPU處理速度和I/O速度不匹配的問題!
在網絡編程中如何進行網絡I/O優化：怎麼高效地利用CPU進行網絡數據處理？？？
一、相關概念
從操作系統層面怎麼理解網絡I/O呢？計算機的世界有一套自己定義的概念。如果不明白這些概念，就無法真正明白技術的設計思路和本質。所以在我看來，這些概念是瞭解技術和計算機世界的基礎。
1.1 同步與異步，阻塞與非阻塞
理解網絡I/O避不開的話題：同步與異步，阻塞與非阻塞。
拿山治燒水舉例來說，(山治的行為好比用戶程序，燒水好比內核提供的系統調用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這麼理解。
- 同步/異步關注的是水燒開之後需不需要我來處理。
- 阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是幹了其他事。
1.1.1 同步阻塞
點火後，傻等，不等到水開堅決不幹任何事（阻塞），水開了關火（同步）。
1.1.2 同步非阻塞
點火後，去看電視（非阻塞），時不時看水開了沒有，水開後關火（同步）。
1.1.3 異步阻塞
按下開關後，傻等水開（阻塞），水開後自動斷電（異步）。
網絡編程中不存在的模型。
1.1.4 異步非阻塞
按下開關後，該幹嘛幹嘛 （非阻塞），水開後自動斷電（異步）。
1.2 內核空間 、用戶空間
- 內核負責網絡和文件數據的讀寫。
- 用戶程序通過系統調用獲得網絡和文件的數據。
1.2.1 內核態 用戶態
- 程序為讀寫數據不得不發生系統調用。
- 通過系統調用接口，線程從用戶態切換到內核態，內核讀寫數據後，再切換回來。
- 進程或線程的不同空間狀態。
1.2.2 線程的切換
用戶態和內核態的切換耗時，費資源（內存、CPU）
優化建議：
- 更少的切換。
- 共享空間。
1.3 套接字 – socket
- 有了套接字，才可以進行網絡編程。
- 應用程序通過系統調用socket(),建立連接，接收和發送數據（I / O）。
- SOCKET 支持了非阻塞，應用程序才能非阻塞調用，支持了異步，應用程序才能異步調用
1.4 文件描述符 –FD 句柄
網絡編程都需要知道FD？？？ FD是個什麼鬼？？？
Linux：萬物都是文件，FD就是文件的引用。像不像JAVA中萬物都是對象?程序中操作的是對象的引用。JAVA中創建對象的個數有內存的限制，同樣FD的個數也是有限制的。
Linux在處理文件和網絡連接時，都需要打開和關閉FD。
每個進程都會有默認的FD：
- 0 標準輸入 stdin
- 1 標準輸出 stdout
- 2 錯誤輸出 stderr
1.5 服務端處理網絡請求的過程
- 連接建立後。
- 等待數據準備好（CPU 閒置）。
- 將數據從內核拷貝到進程中（CPU閒置）。
怎麼優化呢？
對於一次I/O訪問（以read舉例），數據會先被拷貝到操作系統內核的緩衝區，然後才會從操作系統內核的緩衝區拷貝到應用程序的地址空間。
所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：
- 等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)。
- 將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
正是因為這兩個階段，Linux系統升級迭代中出現了下面三種網絡模式的解決方案。
二、IO模型介紹
2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O
簡介：最原始的網絡I/O模型。進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成。
缺點：高併發時，服務端與客戶端對等連接，線程多帶來的問題：
- CPU資源浪費，上下文切換。
- 內存成本幾何上升，JVM一個線程的成本約1MB。
<code>public
static
void
main
(String[] args)
throws
IOException { ServerSocket ss =new
ServerSocket(); ss.bind(new
InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));int
idx =0
;while
(true
) {final
Socket socket = ss.accept();new
Thread(() -> { handle(socket); },"線程["
+idx+"]"
).start(); } }static
void
handle
(Socket socket)
{byte
[] bytes =new
byte
[1024
];try
{ String serverMsg =" server sss[ 線程："
+ Thread.currentThread().getName() +"]"
; socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes()); socket.getOutputStream().flush(); }catch
(Exception e) { e.printStackTrace(); } } /<code>
2.2 非阻塞 I/O - Non Blocking IO
簡介：進程反覆系統調用，並馬上返回結果。
缺點：當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發生系統調用1000次kernel，來回的用戶態和內核態的切換，成本幾何上升。
<code>public
static
void
main
(String[] args
) throws IOException { ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open(); ss.bind(new
InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); System.out
.println(" NIO server started ... "
); ss.configureBlocking(false
);int
idx =0
;while
(true
) { final SocketChannel socket = ss.accept();new
Thread(() -> { handle(socket); },"線程["
+idx+"]"
).start(); } }static
void
handle
(SocketChannel socket
) {try
{ socket.configureBlocking(false
); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024
); socket.read(byteBuffer); byteBuffer.flip(); System.out
.println("請求："
+new
String(byteBuffer.array())); String resp ="服務器響應"
; byteBuffer.get
(resp.getBytes()); socket.write(byteBuffer); }catch
(IOException e) { e.printStackTrace(); } } /<code>
2.3 I/O 多路複用 - IO multiplexing
簡介：單個線程就可以同時處理多個網絡連接。內核負責輪詢所有socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。多路複用在Linux內核代碼迭代過程中依次支持了三種調用，即SELECT、POLL、EPOLL三種多路複用的網絡I/O模型。下文將畫圖結合Java代碼解釋。
2.3.1 I/O 多路複用- select
簡介：有連接請求抵達了再檢查處理。
缺點：
- 句柄上限- 默認打開的FD有限制,1024個。
- 重複初始化-每次調用 select()，需要把 fd 集合從用戶態拷貝到內核態，內核進行遍歷。
- 逐個排查所有FD狀態效率不高。
服務端的select 就像一塊佈滿插口的插排，client端的連接連上其中一個插口，建立了一個通道，然後再在通道依次註冊讀寫事件。一個就緒、讀或寫事件處理時一定記得刪除，要不下次還能處理。
<code>public
static
void
main
(String[] args
) throws IOException { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.socket().bind(new
InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); ssc.configureBlocking(false
); System.out
.println(" NIO single server started, listening on :"
+ ssc.getLocalAddress()); Selector selector = Selector.open(); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while
(true
) { selector.select
(); Set keys = selector.selectedKeys(); Iterator it = keys.iterator();while
(it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); it.remove
(); handle(key); } } }private
static
void
handle
(SelectionKey key
) throws IOException {if
(key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false
); sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ ); }else
if
(key.isReadable()) { SocketChannel sc =null
; sc = (SocketChannel)key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512
); buffer.clear();int
len = sc.read(buffer);if
(len !=-1
) { System.out
.println("["
+Thread.currentThread().getName()+"] recv :"
+new
String(buffer.array(),0
, len)); } ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient"
.getBytes()); sc.write(bufferToWrite); } } /<code>
2.3.2 I/O 多路複用 – poll
簡介：設計新的數據結構(鏈表)提供使用效率。
poll和select相比在本質上變化不大，只是poll沒有了select方式的最大文件描述符數量的限制。
缺點：逐個排查所有FD狀態效率不高。
2.3.3 I/O 多路複用- epoll
簡介：沒有fd個數限制，用戶態拷貝到內核態只需要一次，使用事件通知機制來觸發。通過epoll_ctl註冊fd，一旦fd就緒就會通過callback回調機制來激活對應fd，進行相關的I/O操作。
缺點：
- 跨平臺，Linux 支持最好。
- 底層實現複雜。
- 同步。
<code>public
static
void
main
(String[] args)
throws
Exception {final
AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() .bind(new
InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); serverChannel.accept(null
,new
CompletionHandler() {public
void
completed
(
final
AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) { serverChannel.accept(null
,this
); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024
); client.read(buffer, buffer,new
CompletionHandler() {public
void
completed
(Integer result, ByteBuffer attachment)
{ attachment.flip(); client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient"
.getBytes())); }public
void
failed
(Throwable exc, ByteBuffer attachment)
{ System.out.println(exc.getMessage()); } }); }public
void
failed
(Throwable exc, Object attachment)
{ exc.printStackTrace(); } });while
(true
) { } } /<code>
當然上面的缺點相比較它優點都可以忽略。JDK提供了異步方式實現，但在實際的Linux環境中底層還是epoll，只不過多了一層循環，不算真正的異步非阻塞。而且就像上圖中代碼調用，處理網絡連接的代碼和業務代碼解耦得不夠好。Netty提供了簡潔、解耦、結構清晰的API。
<code>public
static
void
main
(String[] args)
{new
NettyServer().serverStart(); System.out.println("Netty server started !"
); }public
void
serverStart
()
{ EventLoopGroup bossGroup =new
NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup =new
NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap b =new
ServerBootstrap(); b.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.
class
) .childHandler
(new
ChannelInitializer
<SocketChannel
>() {protected
void
initChannel
(SocketChannel ch)
throws
Exception { ch.pipeline().addLast(new
Handler()); } });try
{ ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync(); f.channel().closeFuture().sync(); }catch
(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }finally
{ workerGroup.shutdownGracefully(); bossGroup.shutdownGracefully(); } } }class
Handler
extends
ChannelInboundHandlerAdapter
{public
void
channelRead
(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
throws
Exception { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; ctx.writeAndFlush(msg); ctx.close(); }public
void
exceptionCaught
(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
throws
Exception { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } } /<code>
bossGroup 處理網絡請求的大管家（們），網絡連接就緒時，交給workGroup幹活的工人（們）。
三、總結
回顧
- 同步/異步，連接建立後，用戶程序讀寫時，如果最終還是需要用戶程序來調用系統read()來讀數據，那就是同步的，反之是異步。Windows實現了真正的異步，內核代碼甚為複雜，但對用戶程序來說是透明的。
- 阻塞/非阻塞，連接建立後，用戶程序在等待可讀可寫時，是不是可以幹別的事兒。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多數操作系統都支持的。
Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什麼這麼香？
這些技術都是伴隨Linux內核迭代中提供了高效處理網絡請求的系統調用而出現的。瞭解計算機底層的知識才能更深刻地理解I/O，知其然，更要知其所以然。與君共勉！
原文地址：https://my.oschina.net/u/4007037/blog/3158516
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