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？ ？ ？

01

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。

02

I/O模型

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。

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();//阻塞方法
 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());//阻塞方法
 socket.getOutputStream().flush();
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }

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。

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();//阻塞方法
 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();
 }
 }

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。

public static void main(String[] args) throws IOException {
 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket
 ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT));
 ssc.configureBlocking(false);//設置非阻塞
 System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress());
 Selector selector = Selector.open();
 ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，註冊關心的事件 就緒
 while(true) {
 selector.select();
 Set<selectionkey> keys = selector.selectedKeys();
 Iterator<selectionkey> it = keys.iterator();
 while(it.hasNext()) {
 SelectionKey key = it.next();
 it.remove();//處理的事件，必須刪除
 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);//設置非阻塞
 sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，註冊關心的事件 可讀
 } else if (key.isReadable()) { //flip
 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);
 }
 }/<selectionkey>/<selectionkey>

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。

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<asynchronoussocketchannel>() {
 @Override
 public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {
 serverChannel.accept(null, this);
 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
 client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<integer>() {
 @Override
 public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
 attachment.flip(); 

 client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業務邏輯
 }
 @Override
 public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
 System.out.println(exc.getMessage());//失敗處理
 }
 });
 }

 @Override
 public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
 exc.printStackTrace();//失敗處理
 }
 });
 while (true) {
 //不while true main方法一瞬間結束
 }
 }/<integer>/<asynchronoussocketchannel>

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。

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>() {
 @Override
 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 {
 @Override
 public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
 ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
 ctx.writeAndFlush(msg);
 ctx.close();
 }

 @Override
 public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
 cause.printStackTrace();
 ctx.close();
 }
}/<socketchannel>

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）。

03

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。

最後

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