NIO原理浅析（二）

news2025/4/6 18:38:27

IO分类

阻塞和非阻塞

阻塞IO：用户空间引发内核空间的系统调用，需要内核IO操作彻底完成之后，返回值才会返回到用户空间，执行用户的操作。阻塞指的用户空间程序的执行状态，用户空间程序需要等到IO操作彻底执行完毕。java中，默认创建的socket是阻塞的。

非阻塞IO：用户空间引发内核空间的系统调用，不需要等待内核IO操作彻底完成，内核立即给用户返回一个返回值。用户空间程序继续执行用户的操作，处于非阻塞的状态。java中，设置非阻塞的IO，以socket为例，见如下所示的代码：

serverChannel = ServerSocketChannel.open()
serverChannel.configureBlocking(false)

有兴趣，也可以参考java中关于Socket这个类的文档
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同步和异步

同步IO：用户空间和内核空间的调用发起方式。同步IO是指用户空间的线程是主动发起IO请求的一方，内核空间是被动接受方。

异步IO：用户空间和内核空间的调用发起方式。异步IO是指用户空间的线程是被动接受方，但是内核空间里面的kernel是主动发起IO请求的一方。
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四种常见的IO模型

服务器端的编程需要构造高性能的IO模型，常见的IO模型有四类：

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同步阻塞IO（Blocking IO）：

结合上面的描述，同步阻塞IO指的是用户空间主动发起的调用，然后需要等待内核空间将IO操作彻底完成之后才会返回用户空间，这期间，用户空间线程将会处于阻塞状态。
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BIO优点：程序简单，在阻塞等待数据的期间，用户挂起线程，用户线程基本不会占用CPU资源。

BIO缺点：每个请求可能会配置一套独立的线程，当并发量很高的场景下，内存和线程切换的成本很高。

应用举例：在Java中使用线程池的方式去连接数据库，就是使用的同步阻塞IO模型。

同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：

如果是socket被设置为non-blocking，NIO模型如果出现了系统调用，会出现以下两种情况：

（1）当内核缓存区里面没有数据，那么当用户空间发起的系统调用时，会立即返回一个失败的信息

（2）当内核缓存区里面有数据，那么当用户空间发起的系统调用时，会进入到阻塞状态，将内核缓存区里面的数据复制到用户缓冲区。直到数据返回成功，才会解除阻塞的状态。

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NIO的优点：每次发起IO系统调用，线程在内核等待缓冲区数据的时候，会立即返回值，不会阻塞。实时性比较好。

NIO的缺点：需要不断地轮询发起系统调用，这样会占用大量的CPU时间，资源利用率很低。

IO多路复用（IO Multiplexing）

首先从字面意思来理解多路复用：

多路：多个socket网络连接
复用：复用一个线程，使用一个线程来检查多个文件套接字（又称文件句柄）的就绪状态

IO多路复用是一种同步IO模型，实现用一个线程监视多个文件句柄，一旦有文件句柄准备就绪，就可以通知应用程序进行相应的读写操作。没有文件句柄就绪，就会阻塞应用程序，然后交出CPU的时间片。

通过对之前两种IO模型的总结，我们可以发现：

针对高并发的场景，同步阻塞模型的缺点是需要做频繁的内存和线程的切换，效率很低。同步非阻塞的缺点是要在用户程序空间轮询的发起系统调用，这导致内核态和用户态的频繁切换，也会消耗大量的资源。

IO多路复用则可以避免内核态和用户态的频繁切换，因为IO多路复用模型将轮询套接字（又称为文件句柄）的动作，直接放在了内核态进行，这样避免了内核态和用户态的频繁切换

举例说明

我们以基础的socket模型为例，展现IO多路复用的机制：

下面是基础的socket模型伪码：

listenSocket = socket(); //系统调用socket()函数，调用创建一个主动socket
bind(listenSocket); //给主动socket绑定地址和端口
listen(listenSocket); //将默认的主动socket转换成服务器使用的被动socket(也叫监听socket)
while(true) { //循环监听客户端的连接请求
  connectSocket = accept(listenSocket); //接受客户端连接，获取已连接socket
  recv(connSocket); //从客户端读取数据，只能同时处理一个客户端
  send(connSocket); //给客户端返回数据，只能同时处理一个客户端
}

网络通信的流程如下图所示：
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上图所示的socket网络通信，是典型的同步阻塞模型，当有大量客户端连接时，这种模型的处理性能比较差。使用IO多路复用可以解决这种困境。

linux中，操作系统提供了select、poll和epoll三种多路复用机制。

select机制

四个问题

1、IO多路复用可以最多监听多少个socket？

2、IO多路复用可以监听socket里面的哪些事件？

3、IO多路复用如何感知已经就绪的文件描述符fd？

4、IO多路复用如何实现网络通信？

首先在linux平台上查看一下select函数定义,可以参考一下文章1Linux内核select源码剖析、文章2Linux select源码分析。

/**
* 参数说明
* 监听的文件描述符数量 __nfds
* 被监听描述符的三个集合*__readfds, *__writefds 和 *__exceptfds
* 监听时阻塞等待的超时时长*__timeout
* 返回值：返回一个socket对应的文件描述符
*/
int select(int __nfds, fd_set * __readfds, 
           fd_set * __writefds, fd_set * __exceptfds, 
           struct timeval * __timeout)

select函数监听的文件描述符被分成三类，分别是__readfds, __writefds 和 __exceptfds，当用户调用select时，假设当前监控的是___readfds集合，select操作会将需要监控___readfds集合从用户空间拷贝到内核空间，随后在内核空间一直遍历自身的skb(SocketBuffer)，检查每个skb的poll逻辑，已确定socket是否存在可读事件。若没有socket可读，则会进入到睡眠状态。当发现有sokcet可读，则会唤醒用户空间的程序，然后在用户态去遍历监控的集合，并读取数据。

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