一、什么是IO？

我们都知道Liux世界里、一切皆文件、而文件是什么呢？文件就是一串二进制流而已、不管socket、还是FIFO、管道、终端、对我们来说、一切都是文件、一切都是流、在信息交换的过程中、我们都是对这些流进行数据的收发操作、简称为I/O操作(input and output)、往流中读出数据、系统调用read、写入数据、系统调用write、不过话说回来了、计算机里有这么多的流、我怎么知道要操作哪个流呢？做到这个的就是文件描述符、即通常所说的fd、一个fd就是一个整数、所以对这个整数的操作、就是对这个文件（流）的操作、我们创建一个socket、通过系统调用会返回一个文件描述符、那么剩下对socket的操作就会转化为对这个描述符的操作、不能不说这又是一种分层和抽象的思想。

二、IO交互

通常用户进程中的一个完整IO分为两个阶段

用户空间<------------->内核空间、

内核空间<------------->设备空间、

内核空间中存放的是内核代码和数据、而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据、不管是内核空间还是用户空间、它们都处于虚拟空间中、Linux使用两级保护机制：0级供内核使用、3级供用户程序使用、操作系统和驱动程序运行在内核空间、应用程序运行在用户空间、两者不能简单地使用指针传递数据、因为Linux使用的虚拟内存机制、其必须通过系统调用请求kernel来协助完成IO动作、内核会为每个IO设备维护一个缓冲区、用户空间的数据可能被换出、当内核空间使用用户空间指针时、对应的数据可能不在内存中。

对于一个输入操作来说、进程IO系统调用后、内核会先看缓冲区中有没有相应的缓存数据、没有的话再到设备中读取、因为设备IO一般速度较慢、需要等待、内核缓冲区有数据则直接复制到进程空间、

所以、对于一个网络输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待网络数据到达网卡 –> 读取到内核缓冲区

（2）从内核缓冲区复制数据 –> 用户空间

IO有内存IO、网络IO和磁盘IO三种、通常我们说的IO指的是后两者。

阻塞IO（blocking I/O）

我们运行一段服务端socket监听程序（典型的阻塞IO场景）：

我们知道server.accept是阻塞的，如果没有连接连上来就会一直等待不会往下执行。

同时我们是道reader.readLIne也是阻塞的，不写入东西也不会往下执行。所以我们new了个线程，可以达到同时监听多个连接的目的。

其实网络通信过程中的系统调用：前面两个函数的阻塞的根因是因为内核的accept和recv的系统调用是阻塞调用，所以会有BIO。

这段程序中涉及到的系统调用如下：

java的bio对应的包是：java.io.*

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

2.非阻塞IO（noblocking I/O）

java的nio对应的：java.nio.*（jdk1.4之后才有）

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

下面是一段典型的java nio服务端的代码：其中

ss.configureBlocking(false)//很重要，表示设置为非阻塞io

ss.accept在非阻塞模式下不会阻塞，

非阻塞模式：在调用accept方法后，如果无连接建立，则返回null（实际上系统调用的返回时-1，java返回时null）；如果有连接，则返回SocketChannel。

我们就达到一个线程监听多个请求的作用。前面的BIO需要多个线程才能同时监听到多个请求。

SocketChannel简述：ServerSocketChannel简述_weixin_33951761的博客-CSDN博客

注意for循环需要遍历所有连接，向内核发送recv系统调用，系统调用会产生软中断造成用户态内核态上下文切换，有很多无效系统调用。那怎么很容易想到减少系统调用的次数。

所以我们有了多路复用器，进程发生系统调用前，先去查下有多少个可以读：

IO多路复用

目前支持I/O多路复用的系统调用有 select，pselect，poll，epoll，I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现。关于io多路复用可参考此文：网络通信 --> IO多路复用之select、poll、epoll详解 - 蚂蚁吃大象、 - 博客园

对于 select 这种⽅式，需要进⾏ 2 次「遍历」⽂件描述符集合，⼀次是在内核态⾥，⼀个次是在⽤户态⾥，⽽且还会发⽣ 2 次「拷⻉」⽂件描述符集合，先从⽤户空间传⼊内核空间，由内核修改后，再传出到⽤户空间中。

select 使⽤固定⻓度的 BitsMap，表示⽂件描述符集合，⽽且所⽀持的⽂件描述符的个数是有限制的，在Linux 系统中，由内核中的 FD_SETSIZE 限制，默认最⼤值为 1024 ，只能监听 0~1023 的⽂件描述符。poll 不再⽤ BitsMap 来存储所关注的⽂件描述符，取⽽代之⽤动态数组，以链表形式来组织，突破了

select 的⽂件描述符个数限制，当然还会受到系统⽂件描述符限制。

但是 poll 和 select 并没有太⼤的本质区别，都是使⽤「线性结构」存储进程关注的 Socket 集合，因此都需要遍历⽂件描述符集合来找到可读或可写的 Socket，时间复杂度为 O(n)，⽽且也需要在⽤户态与内核态之间拷⻉⽂件描述符集合，这种⽅式随着并发数上来，性能的损耗会呈指数级增⻓

高版本的jdk主要是用的是epoll系统调用：epoll是在2.6内核中提出的，是之前的select和poll的增强版本。相对于select和poll来说，epoll更加灵活，没有描述符限制。epoll使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样在用户空间和内核空间的copy只需一次。

基本原理：epoll支持水平触发和边缘触发，最大的特点在于边缘触发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就绪态，并且只会通知一次。还有一个特点是，epoll使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd，epoll_wait便可以收到通知。Epoll对于多核来说很友好，相对于前面两个系统调用，多了create和ctl，意味这不用每次都传很多的文件描述符，但是在内核里面增加了两块空间。空间换时间的做法。

java实际上用的是操作系统的系统调用来实现的自己的多路复用，也就是操作系统的多路复用是java的多路复用的基础。

Reactor模型

刚刚的select和epoll都是关注某个io连接产生的事件。但是实际上，我们在处理io的时候往往最关注的有相关业务的处理，并且我们关注的也不是网络io的处理，而是之关心某个事件触发然后执行相应的业务逻辑。所以我们需要封装一层，将事件和IO多路复用抽象出来，我们自己可以选择自己的实现，来方便我们进行IO编程。使得的IO编程更加灵活。

组成：阻塞IO+IO多路复用

特征：以事件循环、事件驱动、事件回调来实现业务逻辑处理

Reactor模式的抽象：

a， Handle表示句柄，文件描述符、socket等；实际上就是对IO事件的抽象。实际上就是对fd进行了包装。

b， EventDemultiplexer表示多路分发机制，调用系统提供的多IO路复用，比如select,epoll。程序先将关注的句柄注册到EventDemultiplexer，当有相关事件到来触发EventDemultiplexer通知程序。

c， EventHandler定义事件处理方法，

d， Reactor是事件管理的接口，注册和销毁事件，并运行事件循环，当EventDemultiplexer返回Handle有事件"就绪",将其分发给EventHandler上对应的方法。

e， ConcreteEventhandler实现每个事件的处理逻辑。

Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，本文站在巨人的肩膀上，借助 Doug Lea（就是那位让人无限景仰的大爷）的“Scalable IO in Java”中讲述的Reactor模式。

“Scalable IO in Java”的地址是：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

此文来自于网课记录一下

历程：

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