Java IO多路复用机制详解

1、在Java中，常见的IO模型有4种，

同步阻塞IO（Blocking IO）
同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：默认创建的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被设置为NONBLOCK。注意这里所说的NIO并非Java的NIO（New IO）库。
IO多路复用（IO Multiplexing）：也称为异步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是这种模型。这里复用的是指复用一个或几个线程，用一个或一组线程处理多个IO操作，减少系统开销小，不必创建和维护过多的进程/线程；
异步IO（Asynchronous IO）：即经典的Proactor设计模式，也称为异步非阻塞IO。

2、同步与阻塞概念

1）同步和异步的概念描述的是用户线程与内核的交互方式

同步是指用户线程发起IO请求后需要等待或者轮询内核IO操作完成后才能继续执行；
异步是指用户线程发起IO请求后仍继续执行，当内核IO操作完成后会通知用户线程，或者调用用户线程注册的回调函数。

2）阻塞和非阻塞的概念描述的是用户线程调用内核IO操作的方式

阻塞是指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间；
非阻塞是指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到IO操作彻底完成。

“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中，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IO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内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。（图片来自https://blog.csdn.net/sehanlingfeng/article/details/78920423）

相比于IO多路复用模型，异步IO并不十分常用，不少高性能并发服务程序使用IO多路复用模型+多线程任务处理的架构基本可以满足需求。Java的NIO是基于I/O复用来实现的。

3、IO多路复用的底层原理

IO多路复用使用两个系统调用(select/poll/epoll和recvfrom)，blocking IO只调用了recvfrom；select/poll/epoll 核心是可以同时处理多个connection，而不是更快，所以连接数不高的话，性能不一定比多线程+阻塞IO好,多路复用模型中，每一个socket，设置为non-blocking,阻塞是被select这个函数block，而不是被socket阻塞的。

1）select机制

客户端操作服务器时就会产生这三种文件描述符(简称fd)：writefds(写)、readfds(读)、和exceptfds(异常)。select会阻塞住监视3类文件描述符，等有数据、可读、可写、出异常或超时、就会返回；返回后通过遍历fdset整个数组来找到就绪的描述符fd，然后进行对应的IO操作。

优点：
　　几乎在所有的平台上支持，跨平台支持性好
缺点：
　　由于是采用轮询方式全盘扫描，会随着文件描述符FD数量增多而性能下降。
　　每次调用 select()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历(消息传递都是从内核到用户空间)
　　默认单个进程打开的FD有限制是1024个，可修改宏定义，但是效率仍然慢。

2）poll机制

基本原理与select一致，只是没有最大文件描述符限制，因为采用的是链表存储fd。

3）epoll机制

epoll之所以高性能是得益于它的三个函数
　　1)epoll_create()系统启动时，在Linux内核里面申请一个B+树结构文件系统，返回epoll对象，也是一个fd
　　2)epoll_ctl() 每新建一个连接，都通过该函数操作epoll对象，在这个对象里面修改添加删除对应的链接fd, 绑定一个callback函数。
　　3)epoll_wait() 轮训所有的callback集合，并完成对应的IO操作

优点：
　　没fd这个限制，所支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数，1G内存大概支持10万个句柄
　　效率提高，使用回调通知而不是轮询的方式，不会随着FD数目的增加效率下降
　　内核和用户空间mmap同一块内存实现

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