i/o（ input output），包括文件i/o、网络i/o。

计算机世界里的速度鄙视：

内存读数据：纳秒级别。千兆网卡读数据：微妙级别。1微秒=1000纳秒，网卡比内存慢了千倍。磁盘读数据：毫秒级别。1毫秒=10万纳秒 ，硬盘比内存慢了10万倍。cpu一个时钟周期1纳秒上下，内存算是比较接近cpu的，其他都等不起。

cpu 处理数据的速度远大于i/o准备数据的速度 。

任何编程语言都会遇到这种cpu处理速度和i/o速度不匹配的问题!

在网络编程中如何进行网络i/o优化：怎么高效地利用cpu进行网络数据处理？？？

一、相关概念

从操作系统层面怎么理解网络i/o呢？计算机的世界有一套自己定义的概念。如果不明白这些概念，就无法真正明白技术的设计思路和本质。所以在我看来，这些概念是了解技术和计算机世界的基础。

1.1 同步与异步，阻塞与非阻塞

理解网络i/o避不开的话题：同步与异步，阻塞与非阻塞。

拿山治烧水举例来说，(山治的行为好比用户程序，烧水好比内核提供的系统调用)，这两组概念翻译成大白话可以这么理解。

同步/异步关注的是水烧开之后需不需要我来处理。阻塞/非阻塞关注的是在水烧开的这段时间是不是其他事。

1.1.1 同步阻塞

点火后，傻等，不等到水开坚决不干任何事（阻塞），水开了关火（同步）。

1.1.2 同步非阻塞

点火后，去看电视（非阻塞），时不时看水开了没有，水开后关火（同步）。

1.1.3 异步阻塞

按下开关后，傻等水开（阻塞），水开后自动断电（异步）。

网络编程中不存在的模型。

1.1.4 异步非阻塞

按下开关后，该干嘛干嘛 （非阻塞），水开后自动断电（异步）。

1.2 内核空间 、用户空间

内核负责网络和文件数据的读写。用户程序通过系统调用获得网络和文件的数据。

1.2.1 内核态 用户态

程序为读写数据不得不发生系统调用。通过系统调用接口，线程从用户态切换到内核态，内核读写数据后，再切换回来。进程或线程的不同空间状态。

1.2.2 线程的切换

用户态和内核态的切换耗时，费资源（内存、cpu）

优化建议：

更少的切换。共享空间。

1.3 套接字 – socket

有了套接字，才可以进行网络编程。应用程序通过系统调用socket(),建立连接，接收和发送数据（i / o）。so门类cket 支持了非阻塞，应用程序才能非阻塞调用，支持了异步，应用程序才能异步调用

1.4 文件描述符 –fd 句柄

网络编程都需要知道fd？？？ fd是个什么鬼？？？

linux：万物都是文件，fd就是文件的引用。像不像java中万物都是对象?程序中操作的是对象的引用。java中创建对象的个数有内存的限制，同样fd的个数也是有限制的。

linux在处理文件和网络连接时，都需要打开和关闭fd。

每个进程都会有默认的fd：

0 标准输入 stdin1 标准输出 stdout2 错误输出 stderr

1.5 服务端处理网络请求的过程

连接建立后。等待数据准备好（cpu 闲置）。将数据从内核拷贝到进程中（cpu闲置）。

怎么优化呢？

对于一次i/o访问（以read举例），数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

所以说，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

等待数据准备 (waiting for the data to be ready)。将数据从内核拷贝到进程中 (copying the data from the kernel to the process)。

正是因为这两个阶段，linux系统升级迭代中出现了下面三种网络模式的解决方案。

二、io模型介绍

2.1 阻塞 i/o – blocking i/o

简介：最原始的网络i/o模型。进程会一直阻塞，直到数据拷贝完成。

缺点：高并发时，服务端与客户端对等连接，线程多带来的问题：

cpu资源浪费，上下文切换。内存成本几何上升，jvm一个线程的成本约1mb。

public static void main(string[] args) throws ioexception {        rversocket ss = new rversocket();        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);            },"线程["+idx+"]" ).start();        }    }    static void handle(socket socket) {        byte[] bytes = new byte[1024];        try {            string rvermsg = "  rver sss[ 线程："+ thread.currentthread().getname() +"]";            socket.getoutputstream().write(rvermsg.getbytes());//阻塞方法            socket.getoutputstream().flush();        } catch (exception e) {            e.printstacktrace();        }     }

2.2 非阻塞 i/o – non blocking io

简介：进程反复系统调用，并马上返回结果。

缺点：当进程有1000fds,代表用户进程轮询发生系统调用1000次kernel，来回的用户态和内核态的切换，成本几何上升。

public static void main(string[] args) throws ioexception {        rversocketchannel ss = rversocketchannel.open();        ss.bind(new inetsocketaddress(constant.host, constant.port));        system.out.println(" nio rver started ... ");        ss.configureblocking(fal);        int idx =0;        while (true) {            final socketchannel socket = ss.accept();//阻塞方法            new thread(() -> {                handle(socket);            },"线程["+idx+"]" ).start();        }    }    static void handle(socketchannel socket) {        try {            socket.configureblocking(fal);            bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(1024);            socket.read(bytebuffer);            bytebuffer.flip();            system.out.println("请求：" + new string(bytebuffer.array()));            string resp = "服务器响应";            bytebuffer.get(resp.getbytes());            socket.write(bytebuffer);        } catch (ioexception e) {            e.printstacktrace();        }    }

2.3 i/o 多路复用 – io multiplexing

简介：单个线程就可以同时处理多个网络连接。内核负责轮询所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。多路复用在linux内核代码迭代过程中依次支持了三种调用，即lect、poll、epoll三种多路复用的网络i/o模型。下文将画图结合java代码解释。

2.3.1 i/o 多路复用- lect

简介：有连接请求抵达了再检查处理。

缺点：

句柄上限- 默认打开的fd有限制,1024个。重复初始化-每次调用 lect()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，内核进行遍历。逐个排查所有fd状态效率不高。

服务端的lect 就像一块布满插口的插排，client端的连接连上其中一个插口，建立了一个通道，然后再在通道依次注册读写事件。一个就绪、读或写事件处理时一定记得删除，要不下次还能处理。

public static void main(string[] args) throws ioexception {        rversocketchannel ssc = rversocketchannel.open();//管道型rversocket        ssc.socket().bind(new inetsocketaddress(constant.host, constant.port));        ssc.configureblocking(fal);//设置非阻塞        system.out.println(" nio single rver started, listening on :" + ssc.getlocaladdress());        lector lector = lector.open();        ssc.register(lector, lectionkey.op_accept);//在建立好的管道上，注册关心的事件 就绪        while(true) {            lector.lect();            t<lectionkey> keys = lector.lectedkeys();            iterator<lectionkey> it = keys.iterator();            while(it.hasnext()) {                lectionkey key = it.next();                it.remove();//处理的事件，必须删除                handle(key);            }        }    }    private static void handle(lectionkey key) throws ioexception {        if(key.isacceptable()) {                rversocketchannel ssc = (rversocketchannel) key.channel();                socketchannel sc = ssc.accept();                sc.configureblocking(fal);//设置非阻塞                sc.register(key.lector(), lectionkey.op_read );//在建立好的管道上，注册关心的事件 可读        } el 在学校想家怎么办if (key.isreadable()) { //flip            socketchannel sc = null;    幻影加点            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);        }    }

2.3.2 i/o 多路复用 – poll

简介：设计新的数据结构(链表)提供使用效率。

poll和lect相比在本质上变化不大，只是poll没有了lect方式的最大文件描述符数量的限制。

缺点：逐个排查所有fd状态效率不高。

2.3.3 i/o 多路复用- epoll

简介：没有fd个数限制，用户态拷贝到内核态只需要一次，使用事件通知机制来触发。通过epoll_ctl注册fd，一旦fd就绪就会通过callback回调机制来激活对应fd，进行相关的i/o操作。

缺点：

跨平台，linux 支持最好。底层实现复杂。同步。

 public static void main(string[] args) throws exception {        final asynchronousrversocketchannel rverchannel = asynchronousrversocketchannel.open()                .bind(new inetsocketaddress(constant.host, constant.port));        rverchannel.accept(null, new completionhandler<asynchronoussocketchannel, object>() {            @override            public void completed(final asynchronoussocketchannel client, object attachment) {                rverchannel.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()));//业务逻辑                    }                    @override                    public void failed(throwable exc, bytebuffer attachment) {                        system.out.println(exc.getmessage());//失败处理                    }                });            }            @override            public void failed(throwable exc, object attachment) {                exc.printstacktrace()精卫填海的意思;//失败处理            }        });        while (true) {            //不while true main方法一瞬间结束        }    }

当然上面的缺点相比较它优点都可以忽略。jdk提供了异步方式实现，但在实际的linux环境中底层还是epoll，只不过多了一层循环，不算真正的异步非阻塞。而且就像上图中代码调用，处理网络连接的代码和业务代码解耦得不够好。netty提供了简洁、解耦、结构清晰的api。

 public static void main(string[] args) {        new nettyrver().rverstart();        system.out.println("netty rver started !");    }    public void rverstart() {        eventloopgroup bossgroup = new nioeventloopgroup();        eventloopgroup workergroup = new nioeventloopgroup();        rverbootstrap b = new rverbootstrap();        b.group(bossgroup, workergroup)                .channel(niorversocketchannel.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().clofuture().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.clo();    }    @override    public void exceptioncaught(channelhandlercontext ctx, throwable cau) throws exception {        cau.printstacktrace();        ctx.clo();    }}

bossgroup 处理网络请求的大管家（们），网络连接就绪时，交给workgits not overroup干活的工人（们）。

三、总结

回顾

同步/异步，连接建立后，用户程序读写时，如果最终还是需要用户程序来调用系统read()来读数据，那就是同步的，反之是异步。windows实现了真正的异步，内核代码甚为复杂，但对用户程序来说是透明的。阻塞/非阻塞，连接建立后，用户程序在等待可读可写时，是不是可以干别的事儿。如果可以就是非阻塞，反之阻塞。大多数操作系统都支持的。

redis,nginx,netty,node.js 为什么这么香？

这些技术都是伴随linux内核迭代中提供了高效处理网络请求的系统调用而出现的。了解计算机底层的知识才能更深刻地理解i/o，知其然，更要知其所以然。与君共勉！