NIO 的優劣

優勢：相比 BIO 來說，NIO 可以通過1個或幾個線程，來解決 N 個 IO 連接的處理
弊端：當有大量文件描述符存在時，不管你用多少個線程，都是O(n)復雜度的recv調用，需要用戶態內核態切換才能實現，而這些調用有很多是無意義的（有數據返回數據，無數據返回-1），浪費資源。
read是無罪的，大量無效的read被調用才是性能損耗的關鍵。

下圖：左側是 NIO，右側是多路復用器。

多路復用器的實現

常問的幾個概念

（我們先只關注IO，不關注IO之后的處理）
同步：application 自己讀寫內容
異步：由 kernel 完成 IO 內容的讀寫，寫到進程的一個 buffer 區域里，看起來好像程序沒有訪問 IO，只是訪問了 buffer 就能拿到數據（實際上是在IO注冊了一些回調），只有 windows 上的 iocp 是純異步的
阻塞：Blocking，如果沒有則等待
非阻塞：Non-Blocking，一定能拿到返回值，就算沒有數據，也會返回-1

目前來說，在Linux以及主流成熟框架中，我們常用的是同步阻塞、同步非阻塞的組合。

通過多路復用器只能獲取狀態，最終還是需要由程序對有狀態的IO進行讀/寫。
只要程序自己讀寫，那么你的IO模型就是同步的。（而不是你讀完了IO數據之后的處理的同步或異步）

多路復用器：select, poll, epoll 都是多路復用器，都屬于同步狀態下非阻塞的模型。
select 是在不同操作系統中很容易實現的，不依賴特定的軟硬件的一個系統調用。
epoll 要求內核當中要求一定的實現，在linux上是epoll，在unix上是kqueue。技術是隨著問題的產生一步步發展起來的。
這兩者都是基于IO事件的一種通知行為。

異步阻塞是沒有意義的。異步都是用非阻塞。

關于為什么linux目前沒有通用的內核異步處理方案，因為這樣不安全，會讓linux的內核做的事情太多，容易出bug。windows敢于這么做，是因為windows的市場比較廣，一方面是用戶市場，一方面是服務器市場，它的市場比較廣，況且windows比較注重用戶市場，所以敢于把內核做的胖一些，也是因此雖然現在已經win10了，但是藍屏啊，死機啊，掛機啊這些問題也還是會出現。Linux現在6.x版本當中，對異步也開始上心了。

select

man select 幫助文檔中的描述：

翻譯：select()和pselect()允許程序監視多個文件描述符，直到其中一個或多個文件描述符為某種I/O操作(如輸入可能)“準備好”。如果文件描述符可以不阻塞地執行相應的I/O操作(如read(2))，則認為它已經準備好了。

select在linux中有一個FD_SETSIZE（大小為1024）的限制，所以現在一般不用select了

其實，無論是NIO，還是SELECT，還是POLL，這些多路復用器都是要遍歷所有的IO詢問狀態。

只不過，在NIO中，這個遍歷的成本在用戶態到內核態的切換。
但是在SELECT、POLL的模型下，遍歷的過程觸發了一次系統調用（用戶態到內核態的切換），過程中把很多的fd文件描述符傳遞給內核，內核重新根據用戶這次調用傳過來的所有fd，遍歷并修改狀態。每次都要重新重復傳遞fd。

所以多路復用器在這個時期，就已經比NIO快了。

SELECT、POLL的弊端在于，每次都要重新傳遞fd，造成每次內核被調用之后，針對這次調用都要觸發一個fd的全量遍歷的復雜度。

這里插入一個概念

在內存中，有 kernel，有 app 等等的這些程序
軟中斷： trap int 80 等
硬中斷：時鐘中斷（晶振）
IO中斷：網卡、硬盤、鼠標

關于網絡IO中斷
最開始的時候，網卡來了IO數據包的時候，是可以產生中斷的，這時候就會打斷CPU，將輸入的數據存到內存中。
后來經過改進，網卡是有buffer的，在內存中開辟一個DMA區域，專門給網卡用，網卡可以收集很多數據之后積攢起來，積攢到一定量之后一起發給DMA。

中斷會產生callback回調函數
event有事件，就要去處理
在epoll之前的callback，只是完成了將網卡發來的數據，走一下內核的網絡協議棧（2鏈路,3網絡,4傳輸層），最終關聯到fd的buffer里面
所以你在某一時間，如果從application詢問內核某一個或者某些fd是否可讀/可寫，會有狀態返回。

如果內核在回調的處理中，再加入（？紅黑樹、list），就有了多selector

epoll

epoll 規避了遍歷的問題。

幫助手冊：

翻譯：

epoll API執行與poll(2)類似的任務:監視多個文件描述符，看看其中任何一個文件描述符上是否有I/O。epoll API既可以用作邊緣觸發接口，也可以用作級別觸發接口，可以很好地擴展到大量監視的文件描述符。提供以下系統調用來創建和管理一個epoll實例:

• epoll_create(2)創建一個epoll實例，并返回引用該實例的文件描述符。(最近的epoll_create1(2)擴展了epoll_create(2)的功能。)
• 然后通過epoll_ctl(2)注冊對特定文件描述符的興趣。當前在epoll實例上注冊的文件描述符集有時稱為epoll集。
• epoll_wait(2)等待I/O事件，如果當前沒有可用的事件，則阻塞調用線程。

epoll_create
在內核中開辟一塊空間，用來放紅黑樹

epoll_ctl
添加、修改、刪除某一個文件描述符，并記錄關注它的哪些事件（如read事件）

epoll_wait
epoll_wait 在等待從紅黑樹復制過來的一個鏈表

下圖：epoll（左） 與 select/poll 的本質區別（右）：
epoll 已經悄悄地將結果集給你準備好了，你需要有狀態的結果集fds的時候，直接取就可以了。它不傳遞 fds, 也不觸發內核遍歷。

講了這么多操作系統內核提供的多路復用器，最終我們都要回歸到并受制于Java對于這些系統調用的包裝：Selector

回歸到 Java 代碼

SocketMultiplexingSingleThreadv1.java

package com.bjmashibing.system.io;import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.*; import java.util.Iterator; import java.util.Set;public class SocketMultiplexingSingleThreadv1 {//這個代碼看不懂的話，可以去看馬老師的坦克 一、二期（netty）private ServerSocketChannel server = null;private Selector selector = null; //linux 多路復用器（select poll epoll kqueue） nginx event{}int port = 9090;public void initServer() {try {server = ServerSocketChannel.open();server.configureBlocking(false); // 設置成非阻塞server.bind(new InetSocketAddress(port)); // 綁定監聽的端口號//如果在epoll模型下，Selector.open()其實完成了epoll_create，可能給你返回了一個 fd3selector = Selector.open(); // 可以選擇 select poll *epoll，在linux中會優先選擇epoll 但是可以在JVM使用-D參數修正//server 約等于 listen 狀態的 fd4/*register 初始化過程如果在select，poll的模型下，是在jvm里開辟一個數組，把fd4放進去如果在epoll的模型下，調用了epoll_ctl(fd3,ADD,fd4,關注的是EPOLLIN*/server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void start() {initServer();System.out.println("服務器啟動了。。。。。");try {while (true) { //死循環Set<SelectionKey> keys = selector.keys();System.out.println(keys.size() + " size");//1,調用多路復用器(select,poll or epoll(實質上是調用的epoll_wait))/*java中的select()是啥意思：1，如果用select，poll 模型，其實調的是內核的select方法，并傳入參數（fd4），或者poll(fd4)2，如果用epoll模型，其實調用的是內核的epoll_wait()注意：參數可以帶時間。如果沒有時間，或者時間是0，代表阻塞。如果有時間，則設置一個超時時間。方法selector.wakeup()可以外部控制讓它不阻塞。這時select的結果返回是0。*/while (selector.select(500) > 0) {Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); //拿到返回的有狀態的fd集合Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator(); // 轉成迭代器//所以，不管你是啥多路復用器，你只能告訴我fd的狀態，我還得一個一個的去處理他們的R/W。同步好辛苦！！！//我們之前用NIO的時候，需要自己對著每一個fd調用系統調用，浪費資源，那么你看，這里是不是調用了一次select方法，知道具體的那些可以R/W了？是不是很省力？while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove(); //這時一個set，不移除的話會重復循環處理if (key.isAcceptable()) { //我前邊強調過，socket分為兩種，一種是listen的，一種是用于通信 R/W 的//這里是重點，如果要去接受一個新的連接//語義上，accept接受連接且返回新連接的FD，對吧？//那新的FD怎么辦？//如果使用select，poll的時候，因為他們內核沒有空間，那么在jvm中保存，和前邊的fd4那個listen的放在一起//如果使用epoll的話，我們希望通過epoll_ctl把新的客戶端fd注冊到內核空間acceptHandler(key);} else if (key.isReadable()) {readHandler(key);//在當前線程，這個方法可能會阻塞，如果阻塞了十年，其他的IO早就沒電了。。。//所以，為什么提出了 IO THREADS，我把讀到的東西扔出去，而不是現場處理//你想，redis是不是用了epoll？redis是不是有個io threads的概念？redis是不是單線程的？//你想，tomcat 8,9版本之后，是不是也提出了一種異步的處理方式？是不是也在 IO 和處理上解耦？//這些都是等效的。}}}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void acceptHandler(SelectionKey key) {try {ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel client = ssc.accept(); //來啦，目的是調用accept接受客戶端 fd7client.configureBlocking(false);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192); //前邊講過了// 0.0 我類個去//你看，調用了register/*select，poll： jvm里開辟一個數組 fd7 放進去epoll： epoll_ctl(fd3,ADD,fd7,EPOLLIN*/client.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);System.out.println("-------------------------------------------");System.out.println("新客戶端：" + client.getRemoteAddress());System.out.println("-------------------------------------------");} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public void readHandler(SelectionKey key) {SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();buffer.clear();int read = 0;try {while (true) {read = client.read(buffer);if (read > 0) {buffer.flip();while (buffer.hasRemaining()) {client.write(buffer);}buffer.clear();} else if (read == 0) {break;} else {client.close();break;}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) {SocketMultiplexingSingleThreadv1 service = new SocketMultiplexingSingleThreadv1();service.start();} }

總結

以上是生活随笔為你收集整理的网络与IO知识扫盲（五）：从 NIO 到多路复用器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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