IO多路复用

2023-10-04 14:40:22

先说明一个问题：在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO。网络编程其实就是多了一个连接的过程，常用在Netty一些框架。本文主要讲述标准输入输出NIO

一.BIO，NIO，AIO的区别

先说一些IO的模式

我们发现，IO不是我们想象中那么简单。要想进行IO操作，需要发一个请求给CPU，CPU得到通知后，此时CPU就需要调用操作系统内核程序(磁盘控制器)。这就是用户态->内核态。
磁盘控制器接到通知，使用DMA技术将数据放到PageCache中，再由CPU把数据从内核程序传回用户程序(buffer)。这就是内核态->用户态。
关于上图的操作系统知识，如果不是清楚，请先移步操作系统，分3章讲清楚操作系统核心内容。

根据上面的模型，其实我们可以把一次IO粗略的分为2个步骤：「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」

- 多路复用I/O：在非阻塞的前提下优化,不会一直询问。但是多一个select期。(NIO)
  - 适用于连接数目多且连接比较短的操作(轻操作)。比如rpc框架，聊天服务器等。

异步I/O: 两个步骤都无需等待，询问完交给内核自动完成。(AIO)
- 适用于连接数目多且连接比较长的操作(重操作)，比如相框服务器，充分调用OS参与并发操作。

多路复用的系统方法说明：一直在升级

select：用一个线程，接收到IO的请求，就将这些进行IO的文件描述符复制一份到内核，然后内存进行遍历，看哪个文件已经准备好数据，将准备好的文件描述符的个数返回给用户态，用户态再进行遍历，找到是哪个文件描述符的IO。有3个缺点如下
- select 调用需要传入 fd 数组，需要拷贝一份到内核，高并发场景下这样的拷贝消耗的资源是惊人的。（可优化为不复制）
- select 在内核层仍然是通过遍历的方式检查文件描述符的就绪状态，是个同步过程，只不过无系统调用切换上下文的开销。（内核层可优化为异步事件通知）
- select 仅仅返回可读文件描述符的个数，具体哪个可读还是要用户自己遍历。（可优化为只返回给用户就绪的文件描述符，无需用户做无效的遍历）
poll：它和 select 的主要区别就是，去掉了 select 只能监听 1024 个文件描述符的限制。
epoll：epoll 是最终的大 boss，它解决了 select 和 poll 的一些问题。
- 内核中保存一份文件描述符集合，无需用户每次都重新传入，只需告诉内核修改的部分即可。
- 内核不再通过轮询的方式找到就绪的文件描述符，而是通过异步 IO 事件唤醒。
- 内核仅会将有 IO 事件的文件描述符返回给用户，用户也无需遍历整个文件描述符集合。

这里附上一个大佬写的关于IO多路复用的动画：IO多路复用

二.NIO的组成

Channel：

数据传输的双向通道，既可以用来读数据又可以用来写数据。主要实现类如下：
- FileChannel：文件IO
- DatagramChannel：UDP的IO
- SocketChannel 和 ServerSocketChannel：TCP的IO

Buffer：

用于和 NIO 通道进行交互。
Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类，常用的 Buffer 的子类有：ByteBuffer、 IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、 FloatBuffer、ShortBuffer等
下图为网络IO的一个简单图

Selector：

选择器，也可以翻译为多路复用器。它是 Java NIO 核心组件中的一个，用于检查一个或多个 NIO Channel（通道）的状态是否处于可读、可写。如此可以实现单线程管理多个 channels，也就是可以管理多个网络链接，就可以避免线程上下文切换。一个Selector对应一个线程，

三.Buffer中对应的Position， Mark， Capacity，Limit都啥？

capacity：缓冲区容量的大小，就是里面包含的数据大小。
limit：对buffer缓冲区使用的一个限制，从这个index开始就不能读取数据了。
position：代表着数组中可以开始读写的index，不能大于limit。
mark：是类似路标的东西，在某个position的时候，设置一下mark，此时就可以设置一个标记
- 后续调用reset()方法可以把position复位到当时设置的那个mark上。去把position或limit调整为小于mark的值时，就丢弃这个mark，如果使用的是Direct模式创建的Buffer的话，就会减少中间缓冲直接使用DirectorBuffer来进行数据的存储。

四.Java中的IO流(BIO)：

分类

按照操作数据单位不同：字节流(8bit)，字符流(16bit)
按照数据流的流向不同：输入流，输出流
按照流的角色分为：
- 节点流：直接从数据源或目的地读写数据
- 处理流：不直接连接到数据源或目的地，而是连接在已存在的流（节点流或处理流）之上，通过对数据的处理为程序提供更为强大的读写功能。

实现类：

寄语：我努力奔跑是为了追上那个曾经被寄予厚望的自己

码农公寓