Java IO多路複用機制詳解

1、在Java中，常見的IO模型有4種，

• 同步阻塞IO（Blocking IO）
• 同步非阻塞IO（Non-blocking IO）：預設建立的socket都是阻塞的，非阻塞IO要求socket被設定為NONBLOCK。注意這裡所說的NIO并非Java的NIO（New IO）庫。
• IO多路複用（IO Multiplexing）：也稱為異步阻塞IO，Java中的Selector和Linux中的epoll都是這種模型。這裡複用的是指複用一個或幾個線程，用一個或一組線程處理多個IO操作，減少系統開銷小，不必建立和維護過多的程序/線程；
• 異步IO（Asynchronous IO）：即經典的Proactor設計模式，也稱為異步非阻塞IO。

2、同步與阻塞概念

 1）同步和異步的概念描述的是使用者線程與核心的互動方式

• 同步是指使用者線程發起IO請求後需要等待或者輪詢核心IO操作完成後才能繼續執行；
• 異步是指使用者線程發起IO請求後仍繼續執行，當核心IO操作完成後會通知使用者線程，或者調用使用者線程注冊的回調函數。

 2）阻塞和非阻塞的概念描述的是使用者線程調用核心IO操作的方式

• 阻塞是指IO操作需要徹底完成後才傳回到使用者空間；
• 非阻塞是指IO操作被調用後立即傳回給使用者一個狀态值，無需等到IO操作徹底完成。

“真正”的異步IO需要作業系統更強的支援。在IO多路複用模型中，事件循環将檔案句柄的狀态事件通知給使用者線程，由使用者線程自行讀取資料、處理資料。而在異步IO模型中，當使用者線程收到通知時，資料已經被核心讀取完畢，并放在了使用者線程指定的緩沖區内，核心在IO完成後通知使用者線程直接使用即可。（圖檔來自https://blog.csdn.net/sehanlingfeng/article/details/78920423）

相比于IO多路複用模型，異步IO并不十分常用，不少高性能并發服務程式使用IO多路複用模型+多線程任務處理的架構基本可以滿足需求。Java的NIO是基于I/O複用來實作的。

3、IO多路複用的底層原理

IO多路複用使用兩個系統調用(select/poll/epoll和recvfrom)，blocking IO隻調用了recvfrom；select/poll/epoll 核心是可以同時處理多個connection，而不是更快，是以連接配接數不高的話，性能不一定比多線程+阻塞IO好,多路複用模型中，每一個socket，設定為non-blocking,阻塞是被select這個函數block，而不是被socket阻塞的。

1）select機制

用戶端操作伺服器時就會産生這三種檔案描述符(簡稱fd)：writefds(寫)、readfds(讀)、和exceptfds(異常)。select會阻塞住監視3類檔案描述符，等有資料、可讀、可寫、出異常 或逾時、就會傳回；傳回後通過周遊fdset整個數組來找到就緒的描述符fd，然後進行對應的IO操作。

優點：

　　幾乎在所有的平台上支援，跨平台支援性好

缺點：

　　由于是采用輪詢方式全盤掃描，會随着檔案描述符FD數量增多而性能下降。

　　每次調用 select()，需要把 fd 集合從使用者态拷貝到核心态，并進行周遊(消息傳遞都是從核心到使用者空間)

　　預設單個程序打開的FD有限制是1024個，可修改宏定義，但是效率仍然慢。

2）poll機制

基本原理與select一緻，隻是沒有最大檔案描述符限制，因為采用的是連結清單存儲fd。

3）epoll機制

epoll之是以高性能是得益于它的三個函數

　　1)epoll_create()系統啟動時，在Linux核心裡面申請一個B+樹結構檔案系統，傳回epoll對象，也是一個fd

　　2)epoll_ctl() 每建立一個連接配接，都通過該函數操作epoll對象，在這個對象裡面修改添加删除對應的連結fd, 綁定一個callback函數。

　　3)epoll_wait() 輪訓所有的callback集合，并完成對應的IO操作

優點：

　　沒fd這個限制，所支援的FD上限是作業系統的最大檔案句柄數，1G記憶體大概支援10萬個句柄

　　效率提高，使用回調通知而不是輪詢的方式，不會随着FD數目的增加效率下降

　　核心和使用者空間mmap同一塊記憶體實作