后端深入理解Java三种IO模式和Epoll模型

　　IO模型
　　IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java共支持3种网络编程IO模式：BIO，NIO，AIO。BIO（BlockingIO）
　　同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程。
　　BIO代码示例：BIO服务端代码importjava。net。ServerSocket；importjava。net。Socket；importjava。util。logging。Handler；publicclassSocketServer｛publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsException｛ServerSocketserverSocketnewServerSocket（9000）；while（true）｛System。out。println（等待连接）；阻塞连接SocketclientSocketserverSocket。accept（）；System。out。println（有客户端连接）；创建新线程执行handle方法newThread（newRunnable（）｛Overridepublicvoidrun（）｛try｛handle（clientSocket）；｝catch（Exceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝｝）。start（）；｝｝publicstaticvoidhandle（SocketclientSocket）throwsException｛byte〔〕bytesnewbyte〔1024〕；System。out。println（准备read）；接收客户端的数据，没有数据可读时就阻塞intreadclientSocket。getInputStream（）。read（bytes）；System。out。println（read完毕。）；if（read！1）｛System。out。println（接收到客户端数据：newString（bytes，0，read））；｝clientSocket。getOutputStream（）。write（helloClient。getBytes（））；clientSocket。getOutputStream（）。flush（）；｝｝BIO客户端代码importjava。io。IOException；importjava。net。Socket；publicclassSocketClient｛publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsIOException｛SocketsocketnewSocket（localhost，9000）；向服务端发送数据socket。getOutputStream（）。write（HelloServer。getBytes（））；socket。getOutputStream（）。flush（）；System。out。println（向服务端发送数据结束）；byte〔〕bytesnewbyte〔1024〕；接收服务端回传的数据socket。getInputStream（）。read（bytes）；System。out。println（接收到服务端的数据：newString（bytes））；socket。close（）；｝｝
　　缺点：
　　从上面的代码我们可以看出来，BIO代码中连接事件和读写数据事件都是阻塞的，所以这种模式的缺点非常的明显。
　　1、如果我们连接完成以后，不做读写数据操作会导致线程阻塞，浪费资源。
　　2、如果没来一个连接我们都需要启动一个线程处理，那么会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K。
　　应用场景：
　　BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，但是程序比较简单。NIO（NonBlockingIO）
　　同步非阻塞模型，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求连接，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器（selector）上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1。4开始引入。NIO服务端代码（没有引入多路复用器的代码）importjava。net。InetSocketAddress；importjava。nio。ByteBuffer；importjava。nio。channels。ServerSocketChannel；importjava。nio。channels。SocketChannel；importjava。util。ArrayList；importjava。util。Iterator；importjava。util。List；publicclassNioServer｛staticListSocketChannelchannelListnewArrayList（）；publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsException｛创建NIOServerSocketChannelserverSocketServerSocketChannel。open（）；serverSocket。socket（）。bind（newInetSocketAddress（9000））；设置非阻塞serverSocket。configureBlocking（false）；System。out。println（服务启动）；while（true）｛非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞NIO的非阻塞模式是由操作系统内部实现，底层调用了Linux内核的accept函数SocketChannelsocketChannelserverSocket。accept（）；if（socketChannel！null）｛System。out。println（连接成功）；设置socketchannel为非阻塞socketChannel。configureBlocking（false）；保存客户端连接到listchannelList。add（socketChannel）；｝遍历连接读数据IteratorSocketChanneliteratorchannelList。iterator（）；while（iterator。hasNext（））｛SocketChannelsciterator。next（）；ByteBufferbyteBufferByteBuffer。allocate（128）；非阻塞模式read方式不会阻塞，否则会阻塞intlensc。read（byteBuffer）；if（len0）｛System。out。println（接收到消息：newString（byteBuffer。array（）））；｝elseif（len1）｛如果客户端断开，把socket从集合中去掉iterator。remove（）；System。out。println（客户端断开连接）；｝｝｝｝｝
　　缺点：
　　如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有10000个连接，其中只有1000个连接有写数据，但是由于其他9000个连接并没有断开看我们还是每次轮询遍历一万次，其中有十分之一的遍历都是无效的，这显然是一个非常浪费资源的做法。NIO服务端代码（引入多路复用器的代码）importjava。net。InetSocketAddress；importjava。nio。ByteBuffer；importjava。nio。channels。SelectionKey；importjava。nio。channels。Selector；importjava。nio。channels。ServerSocketChannel；importjava。nio。channels。SocketChannel；importjava。security。Key；importjava。util。Iterator；importjava。util。Set；publicclassNioSelectorServer｛publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsException｛创建ServerSocketChannleServerSocketChannelserverSocketServerSocketChannel。open（）；serverSocket。bind（newInetSocketAddress（9000））；设置ServerSocketChannel为非阻塞serverSocket。configureBlocking（false）；打开Selector处理channel，即创建epollSelectorselectorSelector。open（）；把ServerSocketChannel注册selector上，并且select对客户端accept连接操作感兴趣serverSocket。register（selector，SelectionKey。OPACCEPT）；System。out。println（服务启动）；while（true）｛阻塞等待需要处理的事件发生selector。select（）；获取selector中注册的全部事件的SelectionKey实例SetSelectionKeyselectionKeysselector。selectedKeys（）；IteratorSelectionKeyiteratorselectionKeys。iterator（）；遍历selectionKeys对事件进行处理while（iterator。hasNext（））｛SelectionKeykeyiterator。next（）；如果是accept事件，则进行连接获取和事件注册if（key。isAcceptable（））｛ServerSocketChannelserver（ServerSocketChannel）key。channel（）；SocketChannelsocketChannelserver。accept（）；socketChannel。configureBlocking（false）；socketChannel。register（selector，SelectionKey。OPREAD）；System。out。println（客户端连接成功）；｝elseif（key。isReadable（））｛进行数据读取SocketChannelsocketChannel（SocketChannel）key。channel（）；ByteBufferbyteBufferByteBuffer。allocate（128）；intlensocketChannel。read（byteBuffer）；如果有数据，把数据打印出来if（len0）｛System。out。println（接收到消息：newString（byteBuffer。array（）））；｝elseif（len1）｛如果客户端断开连接，关闭SocketSystem。out。println（客户端断开连接）；socketChannel。close（）；｝｝从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理iterator。remove（）；｝｝｝｝
　　上面代码是利用NIO一个线程处理所有请求，这种单个线程处理的方式肯定是存在问题的，例如现在有10w个请求中，有1w个连接进行读写数据，那么SelectionKey就会有1w个请求，所以我们需要循环这1w个事件进行处理，比较费时间，如果这个时候再有连接进来，只能阻塞。
　　NIO有三大核心组件：Channel（通道），Buffer（缓冲区）Selector（多路复用器）
　　1、channel类似流，每个channel对应一个buffer缓冲区，buffer底层是个数组。
　　2、channel会注册到selector上，由selector根据channel的读写事件发生将其交由某个空闲的线程处理。
　　3、NIO的Buffer和channel都是既可以读又可以写的。
　　NIO底层在JDK1。4版本是用linux的内核函数select（）或poll（）来实现，跟上面的NioServer代码类似，selector每次都会轮询所有的socktchannel看下哪个channel有读写事件，有的话就处理，没有就继续遍历，JDK1。5开始引入了epoll基于事件响应机制来优化NIO。
　　举个例子：例如我们去酒吧喝酒，在吧台坐下了20个人，中间一个服务员，select（）或者poll（）模式就是，服务员每次都是询问这个20个人是否需要喝酒，而epoll模型则是，20个人谁需要喝酒谁就举手，服务员每次只处理举手的那几个人即可。
　　NioSelectorServer代码里如下几个方法非常重要，我们从Hotspot与Linux内核函数级别来理解下。Selector。open（）创建多路复用器socketChannel。register（selector，SelectionKey。OPREAD）将channel注册到多路复用器上selector。select（）阻塞等待需要处理的事件发生
　　总结：
　　NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket，获取Socket文件描述符，再创建一个Selector对象，对应操作系统的Epoll描述符，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用一条线程，并且不需要太多的无效遍历，将事件处理交给了操作系统内核（操作系统的终端程序），大大提高了效率。
　　Epoll函数详解intepollcreate（intsize）；
　　创建一个epoll实例，并返回一个非负数作为文件描述符，用于对epoll接口的所有后续调用。参数size代表可能会容纳size个描述符，但size不是一个最大值，只是提示操作系统它的数量级，现在这个参数基本上已经弃用了。intepollctl（intepfd，intop，intfd，structepolleventevent）；
　　使用文件描述符epfd引用epoll实例，对目标文件描述符fs执行op操作。
　　参数epfd表示epoll对应的文件描述符，参数fd表示socket对应的文件描述符。
　　参数op有以下几个值：EPOLLCTLADD：注册新的fd到epfd中，并关联事件event；EPOLLCTLMOD：修改已经注册的fd的监听事件；EPOLLCTLDEL：从epfd中移除fd，并且忽略掉绑定的event，这时event可以为null；
　　参数event是一个结构体structepollevent｛uint32tevents；Epolleventsepolldatatdata；Userdatavariable｝；typedefunionepolldata｛voidptr；intfd；uint32tu32；uint64tu64；｝epolldatat；
　　events有很多可选值，这里只举例最常见的几个：EPOLLIN：表示对应的文件描述符是可读的；EPOLLOUT：表示对应的文件描述符是可写的；EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生了错误；
　　成功则返回0，失败返回1。intepollwait（intepfd，structepolleventevents，intmaxevents，inttimeout）；
　　等待文件描述符epfd上的事件。
　　epfd就是Epoll对应的文件描述符，events表示调用者所有可用事件的集合，maxevents表示最大等到多少个事件就返回，timeout是超时时间。
　　IO多路复用底层主要用Linux内核函数（select、poll、epoll）来实现。
　　AIO模型
　　异步非阻塞模型，由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数比较多且连接时间比较长的应用。
　　应用场景
　　AIO方式适用于连接数多且连接比较长（重操作）的架构，JDK1。7开始支持。AIO服务端代码importjava。io。IOException；importjava。net。InetSocketAddress；importjava。nio。ByteBuffer；importjava。nio。channels。AsynchronousChannel；importjava。nio。channels。AsynchronousServerSocketChannel；importjava。nio。channels。AsynchronousSocketChannel；importjava。nio。channels。CompletionHandler；publicclassAIOServer｛publicstaticvoidmain（String〔〕args）throwsException｛finalAsynchronousServerSocketChannelserverChannelAsynchronousServerSocketChannel。open（）。bind（newInetSocketAddress（9000））；serverChannel。accept（null，newCompletionHandler（）｛Overridepublicvoidcompleted（AsynchronousSocketChannelsocketChannel，Objectattachment）｛try｛System。out。println（2Thread。currentThread（）。getName（））；再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接不上服务端serverChannel。accept（attachment，this）；System。out。print（socketChannel。getRemoteAddress（））；ByteBufferbufferByteBuffer。allocate（1024）；socketChannel。read（buffer，buffer，newCompletionHandlerInteger，ByteBuffer（）｛Overridepublicvoidcompleted（Integerresult，ByteBufferbuffer）｛System。out。println（3Thread。currentThread（）。getName（））；buffer。flip（）；System。out。println（newString（buffer。array（），0，result））；socketChannel。write（ByteBuffer。wrap（HelloClient。getBytes（）））；｝Overridepublicvoidfailed（Throwableexc，ByteBufferbuffer）｛exc。printStackTrace（）；｝｝）；｝catch（IOExceptione）｛e。printStackTrace（）；｝｝Overridepublicvoidfailed（Throwableexc，Objectattachment）｛｝｝）；System。out。println（1Thread。currentThread（）。getName（））；Thread。sleep（Integer。MAXVALUE）；｝｝AIO客户端代码importjava。net。InetSocketAddress；importjava。nio。ByteBuffer；importjava。nio。channels。AsynchronousSocketChannel；publicclassAIOClient｛publicstaticvoidmain（String。。。args）throwsException｛AsynchronousSocketChannelsocketChannelAsynchronousSocketChannel。open（）；socketChannel。connect（newInetSocketAddress（127。0。0。1，9000））。get（）；socketChannel。write（ByteBuffer。wrap（HelloServer。getBytes（）））；ByteBufferbufferByteBuffer。allocate（512）；IntegerlensocketChannel。read（buffer）。get（）；if（len！1）｛System。out。println（客户端收到信息：newString（buffer。array（），0，len））；｝｝｝
　　为什么Netty使用NIO而不是AIO？
　　因为在Linux系统上，AIO的底层实现扔使用Epoll模型，没有很好的使用AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK封装了一层不容易再次进行深度优化，Linux上AIO还不够成熟。Netty是异步非阻塞框架，Netty在NIO上做了很多异步封装。