本篇內容介紹了“ Linux下的網絡IO模型怎么理解”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！
Redis，Nginx，Netty，Node.js 為什么這么香？這些技術都是伴隨 Linux 內核迭代中提供了高效處理網絡請求的系統調用而出現的。
I/O（ INPUT/OUTPUT），包括文件 I/O、網絡 I/O。計算機世界里的速度鄙視：
內存讀數據：納秒級別。
千兆網卡讀數據：微妙級別。1 微秒= 1000 納秒，網卡比內存慢了千倍。
磁盤讀數據：毫秒級別。1 毫秒=10 萬納秒 ，硬盤比內存慢了 10 萬倍。
CPU 一個時鐘周期 1 納秒上下，內存算是比較接近 CPU 的，其他都等不起。
CPU 處理數據的速度遠大于 I/O 準備數據的速度 。任何編程語言都會遇到這種 CPU 處理速度和 I/O 速度不匹配的問題！
在網絡編程中如何進行網絡 I/O 優化？怎么高效地利用 CPU 進行網絡數據處理？
從操作系統層面怎么理解網絡 I/O 呢？計算機的世界有一套自己定義的概念。
如果不明白這些概念，就無法真正明白技術的設計思路和本質。所以在我看來，這些概念是了解技術和計算機世界的基礎。
理解網絡 I/O 避不開的話題：同步與異步，阻塞與非阻塞。
拿山治燒水舉例來說，(山治的行為好比用戶程序，燒水好比內核提供的系統調用)，這兩組概念翻譯成大白話可以這么理解：
同步/異步關注的是水燒開之后需不需要我來處理。
阻塞/非阻塞關注的是在水燒開的這段時間是不是干了其他事。
同步阻塞：點火后，傻等，不等到水開堅決不干任何事（阻塞），水開了關火（同步）。
同步非阻塞：點火后，去看電視（非阻塞），時不時看水開了沒有，水開后關火（同步）。
異步阻塞：按下開關后，傻等水開（阻塞），水開后自動斷電（異步）。
網絡編程中不存在的模型。
異步非阻塞：按下開關后，該干嘛干嘛 （非阻塞），水開后自動斷電（異步）。
內核空間 、用戶空間
內核空間 、用戶空間如上圖：
內核負責網絡和文件數據的讀寫。
用戶程序通過系統調用獲得網絡和文件的數據。
內核態、用戶態如上圖：
程序為讀寫數據不得不發生系統調用。
通過系統調用接口，線程從用戶態切換到內核態，內核讀寫數據后，再切換回來。
進程或線程的不同空間狀態。
線程的切換如上圖，用戶態和內核態的切換耗時，費資源（內存、CPU）。
優化建議：
更少的切換。
共享空間。
套接字：Socket
套接字作用如下：
有了套接字，才可以進行網絡編程。
應用程序通過系統調用 socket()，建立連接，接收和發送數據（I/O）。
Socket 支持了非阻塞，應用程序才能非阻塞調用，支持了異步，應用程序才能異步調用。
文件描述符：FD 句柄
網絡編程都需要知道 FD？？？FD 是個什么鬼？？？Linux：萬物都是文件，FD 就是文件的引用。
像不像 Java 中萬物都是對象？程序中操作的是對象的引用。Java 中創建對象的個數有內存的限制，同樣 FD 的個數也是有限制的。
Linux 在處理文件和網絡連接時，都需要打開和關閉 FD。
每個進程都會有默認的 FD：
0 標準輸入 stdin
1 標準輸出 stdout
2 錯誤輸出 stderr
服務端處理網絡請求的過程
服務端處理網絡請求的過程如上圖：
連接建立后。
等待數據準備好（CPU 閑置）。
將數據從內核拷貝到進程中（CPU 閑置）。
怎么優化呢？對于一次 I/O 訪問（以 read 舉例），數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間。
所以說，當一個 read 操作發生時，它會經歷兩個階段：
等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)。
將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
正是因為這兩個階段，Linux 系統升級迭代中出現了下面三種網絡模式的解決方案。
阻塞 I/O：Blocking I/O
簡介：最原始的網絡 I/O 模型。進程會一直阻塞，直到數據拷貝完成。
缺點：高并發時，服務端與客戶端對等連接。
線程多帶來的問題：
CPU 資源浪費，上下文切換。
內存成本幾何上升，JVM 一個線程的成本約 1MB。
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket ss = new ServerSocket(); ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); int idx =0; while (true) { final Socket socket = ss.accept();//阻塞方法 new Thread(() -> { handle(socket); },"線程["+idx+"]" ).start(); } } static void handle(Socket socket) { byte[] bytes = new byte[1024]; try { String serverMsg = " server sss[ 線程："+ Thread.currentThread().getName() +"]"; socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法 socket.getOutputStream().flush(); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } }非阻塞 I/O：Non Blocking IO
簡介：進程反復系統調用，并馬上返回結果。
缺點：當進程有 1000fds，代表用戶進程輪詢發生系統調用 1000 次 kernel，來回的用戶態和內核態的切換，成本幾何上升。
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open(); ss.bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); System.out.println(" NIO server started ... "); ss.configureBlocking(false); int idx =0; while (true) { final SocketChannel socket = ss.accept();//阻塞方法 new Thread(() -> { handle(socket); },"線程["+idx+"]" ).start(); } } static void handle(SocketChannel socket) { try { socket.configureBlocking(false); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); socket.read(byteBuffer); byteBuffer.flip(); System.out.println("請求：" + new String(byteBuffer.array())); String resp = "服務器響應"; byteBuffer.get(resp.getBytes()); socket.write(byteBuffer); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }I/O 多路復用：IO multiplexing
簡介：單個線程就可以同時處理多個網絡連接。內核負責輪詢所有 Socket，當某個 Socket 有數據到達了，就通知用戶進程。
多路復用在 Linux 內核代碼迭代過程中依次支持了三種調用，即 Select、Poll、Epoll 三種多路復用的網絡 I/O 模型。下文將畫圖結合 Java 代碼解釋。
①I/O 多路復用：Select
簡介：有連接請求抵達了再檢查處理。
缺點如下：
句柄上限：默認打開的 FD 有限制，1024 個。
重復初始化：每次調用 select()，需要把 FD 集合從用戶態拷貝到內核態，內核進行遍歷。
逐個排查所有 FD 狀態效率不高。
服務端的 Select 就像一塊布滿插口的插排，Client 端的連接連上其中一個插口，建立了一個通道，然后再在通道依次注冊讀寫事件。
一個就緒、讀或寫事件處理時一定記得刪除，要不下次還能處理。
public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();//管道型ServerSocket ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); ssc.configureBlocking(false);//設置非阻塞 System.out.println(" NIO single server started, listening on :" + ssc.getLocalAddress()); Selector selector = Selector.open(); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);//在建立好的管道上，注冊關心的事件 就緒 while(true) { selector.select(); Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator(); while(it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); it.remove();//處理的事件，必須刪除 handle(key); } } } private static void handle(SelectionKey key) throws IOException { if(key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false);//設置非阻塞 sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ );//在建立好的管道上，注冊關心的事件 可讀 } else if (key.isReadable()) { //flip SocketChannel sc = null; sc = (SocketChannel)key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512); buffer.clear(); int len = sc.read(buffer); if(len != -1) { System.out.println("[" +Thread.currentThread().getName()+"] recv :"+ new String(buffer.array(), 0, len)); } ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()); sc.write(bufferToWrite); } }②I/O 多路復用：Poll
簡介：設計新的數據結構(鏈表)提供使用效率。
Poll 和 Select 相比在本質上變化不大，只是 Poll 沒有了 Select 方式的最大文件描述符數量的限制。
缺點：逐個排查所有 FD 狀態效率不高。
③I/O 多路復用：Epoll
簡介：沒有 FD 個數限制，用戶態拷貝到內核態只需要一次，使用事件通知機制來觸發。
通過 epoll_ctl 注冊 FD，一旦 FD 就緒就會通過 Callback 回調機制來激活對應 FD，進行相關的 I/O 操作。
缺點如下：
跨平臺，Linux 支持最好。
底層實現復雜。
同步。
public static void main(String[] args) throws Exception { final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() .bind(new InetSocketAddress(Constant.HOST, Constant.PORT)); serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { @Override public void completed(final AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) { serverChannel.accept(null, this); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { attachment.flip(); client.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));//業務邏輯 } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { System.out.println(exc.getMessage());//失敗處理 } }); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace();//失敗處理 } }); while (true) { //不while true main方法一瞬間結束 } }當然上面的缺點相比較它的優點都可以忽略。JDK 提供了異步方式實現，但在實際的 Linux 環境中底層還是 Epoll，只不過多了一層循環，不算真正的異步非阻塞。
而且就像上圖中代碼調用，處理網絡連接的代碼和業務代碼解耦得不夠好。
Netty 提供了簡潔、解耦、結構清晰的 API。
public static void main(String[] args) { new NettyServer().serverStart(); System.out.println("Netty server started !"); } public void serverStart() { EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); b.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ch.pipeline().addLast(new Handler()); } }); try { ChannelFuture f = b.localAddress(Constant.HOST, Constant.PORT).bind().sync(); f.channel().closeFuture().sync(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } finally { workerGroup.shutdownGracefully(); bossGroup.shutdownGracefully(); } } } class Handler extends ChannelInboundHandlerAdapter { @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; ctx.writeAndFlush(msg); ctx.close(); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }bossGroup 處理網絡請求的大管家（們），網絡連接就緒時，交給 workGroup 干活的工人（們）。
“ Linux下的網絡IO模型怎么理解”的內容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業相關的知識可以關注億速云網站，小編將為大家輸出更多高質量的實用文章！
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