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Socket.md

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一、I/O 模型

基础概念

1、阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞是描述进程在访问某个资源时，数据是否准备就绪的的一种处理方式。当数据没有准备就绪时：

  • 阻塞：线程持续等待资源中数据准备完成，直到返回响应结果。
  • 非阻塞：线程直接返回结果，不会持续等待资源准备数据结束后才响应结果。

2、同步与异步

  • 同步与异步是指访问数据的机制，同步一般指主动请求并等待IO操作完成的方式。
  • 异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务，随后等待IO操作完毕的通知。

老王烧开水： 1、普通水壶煮水，站在旁边，主动的看水开了没有？同步的阻塞 2、普通水壶煮水，去干点别的事，每过一段时间去看看水开了没有，水没开就走人。 同步非阻塞 3、响水壶煮水，站在旁边，不会每过一段时间主动看水开了没有。如果水开了，水壶自动通知他。 异步阻塞 4、响水壶煮水，去干点别的事，如果水开了，水壶自动通知他。异步非阻塞

一个输入操作通常包括两个阶段：

  • 等待数据准备好
  • 从内核向进程复制数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待数据到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 有五种 I/O 模型：

  • 阻塞式 I/O
  • 非阻塞式 I/O
  • I/O 复用（select 和 poll）
  • 信号驱动式 I/O（SIGIO）
  • 异步 I/O（AIO）

阻塞式 I/O

应用进程被阻塞，直到数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中才返回。

应该注意到，在阻塞的过程中，其它应用进程还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其它应用进程还可以执行，所以不消耗 CPU 时间，这种模型的 CPU 利用率会比较高。

下图中，recvfrom() 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

非阻塞式 I/O

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询（polling）。

由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型的 CPU 利用率比较低。


I/O 复用

使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读。这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回，之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。


信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。


异步 I/O

应用进程执行 aio_read 系统调用会立即返回，应用进程可以继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。


五大 I/O 模型比较

  • 同步 I/O：将数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区的阶段（第二阶段），应用进程会阻塞。
  • 异步 I/O：第二阶段应用进程不会阻塞。

同步 I/O 包括阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O ，它们的主要区别在第一个阶段。

非阻塞式 I/O 、信号驱动 I/O 和异步 I/O 在第一阶段不会阻塞。


二、I/O 复用

select/poll/epoll 都是 I/O 多路复用的具体实现，select 出现的最早，之后是 poll，再是 epoll。

文件描述符，当应用程序请求内核打开/新建一个文件时，内核会返回一个文件描述符用于对应这个打开/新建的文件，其fd本质上就是一个非负整数，读写文件也是需要使用这个文件描述符来指定待读写的文件

文件描述符详解

select

int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

select 允许应用程序监视一组文件描述符，等待一个或者多个描述符成为就绪状态，从而完成 I/O 操作。

  • fd_set 使用数组实现，数组大小使用 FD_SETSIZE 定义，所以只能监听少于 FD_SETSIZE 数量的描述符。有三种类型的描述符类型：readset、writeset、exceptset，分别对应读、写、异常条件的描述符集合。

  • timeout 为超时参数，调用 select 会一直阻塞直到有描述符的事件到达或者等待的时间超过 timeout。

  • 成功调用返回结果大于 0，出错返回结果为 -1，超时返回结果为 0。

fd_set fd_in, fd_out;
struct timeval tv;

// Reset the sets
FD_ZERO( &fd_in );
FD_ZERO( &fd_out );

// Monitor sock1 for input events
FD_SET( sock1, &fd_in );

// Monitor sock2 for output events
FD_SET( sock2, &fd_out );

// Find out which socket has the largest numeric value as select requires it
int largest_sock = sock1 > sock2 ? sock1 : sock2;

// Wait up to 10 seconds
tv.tv_sec = 10;
tv.tv_usec = 0;

// Call the select
int ret = select( largest_sock + 1, &fd_in, &fd_out, NULL, &tv );

// Check if select actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    if ( FD_ISSET( sock1, &fd_in ) )
        // input event on sock1

    if ( FD_ISSET( sock2, &fd_out ) )
        // output event on sock2
}

poll

int poll(struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

poll 的功能与 select 类似，也是等待一组描述符中的一个成为就绪状态。

poll 中的描述符是 pollfd 类型的数组，pollfd 的定义如下：

struct pollfd {
               int   fd;         /* file descriptor */
               short events;     /* requested events */
               short revents;    /* returned events */
           };
// The structure for two events
struct pollfd fds[2];

// Monitor sock1 for input
fds[0].fd = sock1;
fds[0].events = POLLIN;

// Monitor sock2 for output
fds[1].fd = sock2;
fds[1].events = POLLOUT;

// Wait 10 seconds
int ret = poll( &fds, 2, 10000 );
// Check if poll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // If we detect the event, zero it out so we can reuse the structure
    if ( fds[0].revents & POLLIN )
        fds[0].revents = 0;
        // input event on sock1

    if ( fds[1].revents & POLLOUT )
        fds[1].revents = 0;
        // output event on sock2
}

比较

1. 功能

select 和 poll 的功能基本相同，不过在一些实现细节上有所不同。

  • select 会修改描述符，而 poll 不会；
  • select 的描述符类型使用数组实现，FD_SETSIZE 大小默认为 1024，因此默认只能监听少于 1024 个描述符。如果要监听更多描述符的话，需要修改 FD_SETSIZE 之后重新编译；而 poll 没有描述符数量的限制；
  • poll 提供了更多的事件类型，并且对描述符的重复利用上比 select 高。
  • 如果一个线程对某个描述符调用了 select 或者 poll，另一个线程关闭了该描述符，会导致调用结果不确定。

2. 速度

select 和 poll 速度都比较慢，每次调用都需要将全部描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。

3. 可移植性

几乎所有的系统都支持 select，但是只有比较新的系统支持 poll。

epoll

int epoll_create(int size);
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)；
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用 epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。

从上面的描述可以看出，epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次，并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。

epoll 仅适用于 Linux OS。

epoll 比 select 和 poll 更加灵活而且没有描述符数量限制。

epoll 对多线程编程更有友好，一个线程调用了 epoll_wait() 另一个线程关闭了同一个描述符也不会产生像 select 和 poll 的不确定情况。

// Create the epoll descriptor. Only one is needed per app, and is used to monitor all sockets.
// The function argument is ignored (it was not before, but now it is), so put your favorite number here
int pollingfd = epoll_create( 0xCAFE );

if ( pollingfd < 0 )
 // report error

// Initialize the epoll structure in case more members are added in future
struct epoll_event ev = { 0 };

// Associate the connection class instance with the event. You can associate anything
// you want, epoll does not use this information. We store a connection class pointer, pConnection1
ev.data.ptr = pConnection1;

// Monitor for input, and do not automatically rearm the descriptor after the event
ev.events = EPOLLIN | EPOLLONESHOT;
// Add the descriptor into the monitoring list. We can do it even if another thread is
// waiting in epoll_wait - the descriptor will be properly added
if ( epoll_ctl( epollfd, EPOLL_CTL_ADD, pConnection1->getSocket(), &ev ) != 0 )
    // report error

// Wait for up to 20 events (assuming we have added maybe 200 sockets before that it may happen)
struct epoll_event pevents[ 20 ];

// Wait for 10 seconds, and retrieve less than 20 epoll_event and store them into epoll_event array
int ready = epoll_wait( pollingfd, pevents, 20, 10000 );
// Check if epoll actually succeed
if ( ret == -1 )
    // report error and abort
else if ( ret == 0 )
    // timeout; no event detected
else
{
    // Check if any events detected
    for ( int i = 0; i < ret; i++ )
    {
        if ( pevents[i].events & EPOLLIN )
        {
            // Get back our connection pointer
            Connection * c = (Connection*) pevents[i].data.ptr;
            c->handleReadEvent();
         }
    }
}

工作模式

epoll 的描述符事件有两种触发模式：LT（level trigger）和 ET（edge trigger）。

1. LT 模式

当 epoll_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。

2. ET 模式

和 LT 模式不同的是，通知之后进程必须立即处理事件，下次再调用 epoll_wait() 时不会再得到事件到达的通知。

很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

应用场景

很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select 和 poll 都已经过时了，其实它们都有各自的使用场景。

1. select 应用场景

select 的 timeout 参数精度为微秒，而 poll 和 epoll 为毫秒，因此 select 更加适用于实时性要求比较高的场景，比如核反应堆的控制。

select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。

2. poll 应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。

3. epoll 应用场景

只需要运行在 Linux 平台上，有大量的描述符需要同时轮询，并且这些连接最好是长连接。

需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。

需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的，也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且 epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。

三、NIO

1、传统BIO模型

传统BIO是一种同步的阻塞IO，IO在进行读写时，该线程将被阻塞，线程无法进行其它操作。 IO流在读取时，会阻塞。直到发生以下情况：1、有数据可以读取。2、数据读取完成。3、发生异常

2、伪异步IO模型

以传统BIO模型为基础，通过线程池的方式维护所有的IO线程，实现相对高效的线程开销及管理。

3、NIO模型

NIO（JDK1.4）模型是一种同步非阻塞IO，主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector（多路复用器）。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(多路复用器)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。 NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

NIO优点：

  1. 通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
  2. Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
  3. Selector 多路复用器 单线程模型， 线程的资源开销相对比较小。

Channel(通道)

传统IO操作对read()或write()方法的调用，可能会因为没有数据可读/可写而阻塞，直到有数据响应。也就是说读写数据的IO调用，可能会无限期的阻塞等待，效率依赖网络传输的速度。最重要的是在调用一个方法前，无法知道是否会被阻塞。

NIO的Channel抽象了一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，来实现非阻塞式的通道。

Channel是一个双向通道，与传统IO操作只允许单向的读写不同的是，NIO的Channel允许在一个通道上进行读和写的操作。

FileChannel:文件

SocketChannel:

ServerSocketChannel:

DatagramChannel: UDP

Buffer(缓冲区)

Bufer顾名思义，它是一个缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。

Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该模块内存。为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和limit。

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。见下图：

  • capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续写数据。

  • position：当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。出事的position值为0，当写入一个字节数据到Buffer中后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity-1。当读取数据时，也是从某个特定位置读，讲Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，position向前移动到下一个可读的位置。

  • limit：在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。 写模式下，limit等于Buffer的capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position。

Buffer的分配：

对Buffer对象的操作必须首先进行分配，Buffer提供一个allocate(int capacity)方法分配一个指定字节大小的对象。 向Buffer中写数据：写数据到Buffer中有两种方式： 1.从channel写到Buffer

int bytes = channel.read(buf); //将channel中的数据读取到buf中

2.通过Buffer的put()方法写到Buffer

buf.put(byte); //将数据通过put()方法写入到buf中
  • flip()方法：将Buffer从写模式切换到读模式，调用flip()方法会将position设置为0，并将limit设置为之前的position的值。

从Buffer中读数据：从Buffer中读数据有两种方式：

1.从Buffer读取数据到Channel

int bytes = channel.write(buf); //将buf中的数据读取到channel中

2.通过Buffer的get()方法读取数据

byte bt = buf.get(); //从buf中读取一个byte
  • rewind()方法：Buffer.rewind()方法将position设置为0，使得可以重读Buffer中的所有数据，limit保持不变。
  • clear()与compact()方法：一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入，可以通过clear()或compact()方法完成。如果调用的是clear()方法，position将被设置为0，limit设置为capacity的值。但是Buffer并未被清空，只是通过这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer中写入多少数据。如果Buffer中还有一些未读的数据，调用clear()方法将被"遗忘 "。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设置到最后一个未读元素的后面，limit属性依然设置为capacity。可以使得Buffer中的未读数据还可以在后续中被使用。
  • mark()与reset()方法：通过调用Buffer.mark()方法可以标记一个特定的position，之后可以通过调用Buffer.reset()恢复到这个position上。

Selector(多路复用器)

Selector与Channel是相互配合使用的，将Channel注册在Selector上之后，才可以正确的使用Selector，但此时Channel必须为非阻塞模式。Selector可以监听Channel的四种状态（Connect、Accept、Read、Write），当监听到某一Channel的某个状态时，才允许对Channel进行相应的操作。

  • Connect：某一个客户端连接成功后
  • Accept：准备好进行连接s
  • Read:可读
  • Write:可写

参考资料