I/O（ INPUT OUTPUT）撇吞，包括文件I/O俗冻、網(wǎng)絡I/O。
計算機世界里的速度鄙視：

• 內(nèi)存讀數(shù)據(jù)：納秒級別牍颈。

• 千兆網(wǎng)卡讀數(shù)據(jù)：微妙級別迄薄。1微秒=1000納秒，網(wǎng)卡比內(nèi)存慢了千倍煮岁。

• 磁盤讀數(shù)據(jù)：毫秒級別讥蔽。1毫秒=10萬納秒 ，硬盤比內(nèi)存慢了10萬倍人乓。

• CPU一個時鐘周期1納秒上下勤篮，內(nèi)存算是比較接近CPU的，其他都等不起色罚。

CPU 處理數(shù)據(jù)的速度遠大于I/O準備數(shù)據(jù)的速度 碰缔。

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(wǎng)絡編程中如何進行網(wǎng)絡I/O優(yōu)化：怎么高效地利用CPU進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理？戳护？金抡？

相關概念

從操作系統(tǒng)層面怎么理解網(wǎng)絡I/O呢？ 計算機的世界有一套自己定義的概念腌且。如果不明白這些概念梗肝，就無法真正明白技術的設計思路和本質(zhì)。所以在我看來铺董，這些概念是了解技術和計算機世界的基礎巫击。

1.1 同步與異步，阻塞與非阻塞

理解網(wǎng)絡I/O避不開的話題：同步與異步精续，阻塞與非阻塞坝锰。拿山治燒水舉例來說，(山治的行為好比用戶程序重付，燒水好比內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用)顷级，這兩組概念翻譯成大白話可以這么理解。

• 同步/異步關注的是水燒開之后需不需要我來處理确垫。
• 阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是干了其他事熄求。

1.1.1 同步阻塞

點火后钮呀，傻等摄咆，不等到水開堅決不干任何事（阻塞）袁波，水開了關火（同步）。

1.1.2 同步非阻塞

點火后爬迟，去看電視（非阻塞）橘蜜，時不時看水開了沒有，水開后關火（同步）。

1.1.3 異步阻塞

按下開關后计福，傻等水開（阻塞）跌捆，水開后自動斷電（異步）。

網(wǎng)絡編程中不存在的模型象颖。

1.1.4 異步非阻塞

按下開關后佩厚，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動斷電（異步）说订。

1.2 內(nèi)核空間 抄瓦、用戶空間

• 內(nèi)核負責網(wǎng)絡和文件數(shù)據(jù)的讀寫。
• 用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用獲得網(wǎng)絡和文件的數(shù)據(jù)陶冷。

1.2.1 內(nèi)核態(tài) 用戶態(tài)

• 程序為讀寫數(shù)據(jù)不得不發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用钙姊。
• 通過系統(tǒng)調(diào)用接口，線程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)埂伦，內(nèi)核讀寫數(shù)據(jù)后煞额，再切換回來。
• 進程或線程的不同空間狀態(tài)沾谜。

1.2.2 線程的切換

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換耗時膊毁，費資源（內(nèi)存、CPU）優(yōu)化建議：

• 更少的切換基跑。
• 共享空間婚温。

1.3 套接字 – socket

• 有了套接字，才可以進行網(wǎng)絡編程媳否。
• 應用程序通過系統(tǒng)調(diào)用socket(),建立連接栅螟，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)（I / O）。
• SOCKET 支持了非阻塞篱竭，應用程序才能非阻塞調(diào)用嵌巷，支持了異步，應用程序才能異步調(diào)用

1.4 文件描述符 –FD 句柄

網(wǎng)絡編程都需要知道FD室抽？？靡努？FD是個什么鬼坪圾？？惑朦？Linux：萬物都是文件兽泄，F(xiàn)D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漾月。JAVA中創(chuàng)建對象的個數(shù)有內(nèi)存的限制病梢，同樣FD的個數(shù)也是有限制的。

Linux在處理文件和網(wǎng)絡連接時，都需要打開和關閉FD蜓陌。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(wǎng)絡請求的過程

• 連接建立后觅彰。
• 等待數(shù)據(jù)準備好（CPU 閑置）。
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進程中（CPU閑置）钮热。

怎么優(yōu)化呢填抬？對于一次I/O訪問（以read舉例），數(shù)據(jù)會先被拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)隧期，然后才會從操作系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)拷貝到應用程序的地址空間飒责。所以說，當一個read操作發(fā)生時仆潮，它會經(jīng)歷兩個階段：

• 等待數(shù)據(jù)準備 (Waiting for the data to be ready)宏蛉。
• 將數(shù)據(jù)從內(nèi)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性置，Linux系統(tǒng)升級迭代中出現(xiàn)了下面三種網(wǎng)絡模式的解決方案拾并。

I/O模型

2.1 阻塞 I/O - Blocking I/O

簡介：最原始的網(wǎng)絡I/O模型。進程會一直阻塞蚌讼，直到數(shù)據(jù)拷貝完成辟灰。缺點：高并發(fā)時，服務端與客戶端對等連接篡石，線程多帶來的問題：

• CPU資源浪費芥喇，上下文切換。
• 內(nèi)存成本幾何上升凰萨，JVM一個線程的成本約1MB继控。

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：進程反復系統(tǒng)調(diào)用，并馬上返回結(jié)果胖眷。缺點：當進程有1000fds,代表用戶進程輪詢發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用1000次kernel武通，來回的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，成本幾何上升珊搀。

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 多路復用 - IO multiplexing

簡介：單個線程就可以同時處理多個網(wǎng)絡連接冶忱。內(nèi)核負責輪詢所有socket，當某個socket有數(shù)據(jù)到達了境析，就通知用戶進程囚枪。多路復用在Linux內(nèi)核代碼迭代過程中依次支持了三種調(diào)用，即SELECT劳淆、POLL链沼、EPOLL三種多路復用的網(wǎng)絡I/O模型。下文將畫圖結(jié)合Java代碼解釋沛鸵。

2.3.1 I/O 多路復用- select

簡介：有連接請求抵達了再檢查處理括勺。缺點：

• 句柄上限- 默認打開的FD有限制,1024個。
• 重復初始化-每次調(diào)用 select()，需要把 fd 集合從用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)疾捍，內(nèi)核進行遍歷奈辰。
• 逐個排查所有FD狀態(tài)效率不高。

服務端的select 就像一塊布滿插口的插排拾氓，client端的連接連上其中一個插口冯挎，建立了一個通道，然后再在通道依次注冊讀寫事件咙鞍。一個就緒房官、讀或?qū)懯录幚頃r一定記得刪除，要不下次還能處理续滋。

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);//在建立好的管道上翰守，注冊關心的事件 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 );//在建立好的管道上疲酌，注冊關心的事件 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);
        }
    }

2.3.2 I/O 多路復用 – poll

簡介：設計新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(鏈表)提供使用效率蜡峰。poll和select相比在本質(zhì)上變化不大，只是poll沒有了select方式的最大文件描述符數(shù)量的限制朗恳。缺點：逐個排查所有FD狀態(tài)效率不高湿颅。

2.3.3 I/O 多路復用- epoll

簡介：沒有fd個數(shù)限制，用戶態(tài)拷貝到內(nèi)核態(tài)只需要一次粥诫，使用事件通知機制來觸發(fā)油航。通過epoll_ctl注冊fd，一旦fd就緒就會通過callback回調(diào)機制來激活對應fd怀浆，進行相關的I/O操作谊囚。缺點：

• 跨平臺，Linux 支持最好执赡。
• 底層實現(xiàn)復雜镰踏。
• 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, Object>() {
            @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, ByteBuffer>() {
                    @Override
                    public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                        attachment.flip();
                        client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業(yè)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(jié)束
        }
    }

當然上面的缺點相比較它優(yōu)點都可以忽略沙合。JDK提供了異步方式實現(xiàn)奠伪，但在實際的Linux環(huán)境中底層還是epoll，只不過多了一層循環(huán)首懈，不算真正的異步非阻塞芳来。而且就像上圖中代碼調(diào)用，處理網(wǎng)絡連接的代碼和業(yè)務代碼解耦得不夠好猜拾。Netty提供了簡潔、解耦佣盒、結(jié)構(gòu)清晰的API挎袜。

 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();
    }
}

bossGroup 處理網(wǎng)絡請求的大管家（們），網(wǎng)絡連接就緒時，交給workGroup干活的工人（們）盯仪。

總結(jié)

回顧

• 同步/異步紊搪，連接建立后，用戶程序讀寫時全景，如果最終還是需要用戶程序來調(diào)用系統(tǒng)read()來讀數(shù)據(jù)耀石，那就是同步的，反之是異步爸黄。Windows實現(xiàn)了真正的異步滞伟，內(nèi)核代碼甚為復雜，但對用戶程序來說是透明的炕贵。

• 阻塞/非阻塞梆奈，連接建立后，用戶程序在等待可讀可寫時称开，是不是可以干別的事兒亩钟。如果可以就是非阻塞，反之阻塞鳖轰。大多數(shù)操作系統(tǒng)都支持的清酥。

Redis,Nginx,Netty,Node.js 為什么這么香？

這些技術都是伴隨Linux內(nèi)核迭代中提供了高效處理網(wǎng)絡請求的系統(tǒng)調(diào)用而出現(xiàn)的蕴侣。了解計算機底層的知識才能更深刻地理解I/O焰轻，知其然，更要知其所以然睛蛛。與君共勉鹦马！