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IO

2025-09-18 17:15:00   0  举报

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AI智能生成

java

作者其他创作

大纲/内容

socket

定义

起源于Unix，而Unix/Linux基本思想之一就是“一切皆文件”，也称为文件描述符

Socket是对“open—write/read—close”模式的一种实现

Socket是对TCP/IP协议的封装，Socket本身不是协议，通过Socket才能使用TCP/IP协议

连接四要素

源IP

目标ＩＰ　

源端口

目标端口

底层数据结构

同步/异步

所谓同步/异步，描述的被调用者，关注的是能不能同时开工

譬如A调用B。
如果是同步，B在接到A的调用后，会立即执行要做的事。A的本次调用可以得到结果。
如果是异步，B在接到A的调用后，不保证会立即执行要做的事，但是保证会去做，B在做好了之后会通知A。A的本次调用得不到结果，但是B执行完之后会通知A。

阻塞/非阻塞

所谓阻塞/非阻塞，描述的是调用者，关注的是能不能动。

A调用B。
如果是阻塞，A在发出调用后，要一直等待，等着B返回结果。
如果是非阻塞，A在发出调用后，不需要等待，可以去做自己的事情。
同步不一定阻塞，异步也不一定非阻塞。没有必然关系。

BIO：同步阻塞IO

一个请求一个线程，线程发起IO请求后，一直阻塞，直到数据被读取或写入完毕。
从系统调用recv到将数据从内核复制到用户空间并返回，在这段时间内进程始终阻塞。

适用场景：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，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。

socket交互整体流程

NIO：同步非阻塞IO

一个线程处理多个请求（连接），线程发起IO请求后，不需要阻塞，立即返回。发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求就进行处理。并且引入了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念。
在这里recv不管有没有获得到数据都返回，如果没有数据的话就过段时间再调用recv看看，如此循环

适用场景：适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。

三要素

channel: 介于字节缓冲区和套接字之间，可以同时读写，支持异步IO

buffer: 字节缓冲区，是应用程序和通道之间进行IO数据传输的中转

selector:多路复用器，监听服务端和客户端的管道上注册的事件

AIO：异步非阻塞I/O

线程发起IO请求后，不需要阻塞，立即返回，也不需要定时轮询检查结果，异步IO操作之后会回调通知调用方。
调用aio_read令内核把数据准备好，并且复制到用户进程空间后执行事先指定好的函数。

适用场景：适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

多路复用IO

在IO复用模型中，调用recv之前会先调用select或poll，这两个系统调用都可以在内核准备好数据（网络数据已经到达内核了）时告知用户进程，它准备好了，这时候再调用recv时是一定有数据的。因此在这一模型中，进程阻塞于select或poll，而没有阻塞在recv上。

select／poll

epoll

如何理解select、poll、epoll

select, poll, 和 epoll 都是 Linux 中常见的 I/O 多路复用技术，它们可以用于同时监听多个文件描述符（file descriptor，后文简称fd），当任意一个文件描述符就绪时，就能够非阻塞的读写数据。

select

是最原始的 I/O 多路复用技术，select函数可以监听read，write，except的fd。当select返回后，可以遍历对应的fd_set来寻找就绪的fd，从而进行业务处理。缺点是最多只能监听 1024 个文件描述符，并且大量fd的数组被整体复制于用户态和内核的地址空间之间，而不论这些文件描述符是否就绪，其开销也随着文件描述符数量增加而线性增大。

poll

同select一样，poll返回后，也是需要轮询pollfd来获取就绪的fd。不仅如此，所有的fds也是在内核态和用户态中来回切换，也会影响效率。
但是因为fds基于链表，所以就没有了最长1024的限制。但是复杂度随着监听的文件描述符数量的增加而增加。

epoll

每次注册新的事件调用epoll_ctl（注册监听事件类型命令）时，epoll会把所有的fd拷贝进内核，而不是在epoll_wait（等待事件发生）的时候重复拷贝。epoll保证了每个fd在整个过程中只会拷贝一次。
同时，epoll会通过epoll_wait查看是否有就绪的fd，如果有就绪的fd，就会直接使用（O(1)）。而不是像之前两个一样，每次需要手动遍历才能得到就绪的fd（O(n)）
除此之外，它所支持的fd上限是最大可以打开文件的数目，这个数字一般远大于2048，

LT（level trigger）

LT模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序可以不立即处理该事件。下次调用epoll_wait时，会再次响应应用程序并通知此事件

ET（edge trigger）

ET模式：当epoll_wait检测到描述符事件发生并将此事件通知应用程序，应用程序必须立即处理该事件。如果不处理，下次调用epoll_wait时，不会再次响应应用程序并通知此事件。

因为ET模式在很大程度上减少了epoll事件被重复触发的次数，因此效率要比LT模式高。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞socket，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。

信号驱动IO

此处会通过调用sigaction注册信号函数，在内核数据准备好的时候系统就中断当前程序，执行信号函数（在这里调用recv）。