【後端面經-Java】I/O多路複用簡錄詳情 - java,nio,後端,面試 cyl173 博客

0. Java 線程IO模型

Java當中的線程I/O模型如圖所示：

1. BIO

當一個線程進行I/O操作的時候，傳統的做法是阻塞等待，直到I/O操作完成再繼續後續的操作，這種IO方式就是BIO(Blocking I/O)。

BIO方式的缺點是：

大量併發線程的場景下效率過低；
空等待浪費資源；

2. NIO

JDK1.4引入了NIO(No Blocking I/O或者是New I/O)。NIO是一種同步非阻塞的I/O模型，相對於BIO，NIO允許一個線程在I/O操作的時候處理其他任務，但是需要定期輪詢檢查I/O操作是否完成。
NIO的缺點在於：

輪詢的時間間隔不好把握；
一個線程處理一個I/O操作，如果存在大量I/O，處理其他任務和輪詢操作反覆切換狀態，上下文切換開銷大；

3. I/O多路複用（主要）

3.1 概念

為了解決NIO的缺點，Linux引入了I/O多路複用的機制，即一個線程可以同時監聽多個I/O操作，當某個I/O操作完成後，會通知線程進行處理。
多路指的是多個SOCKET連接之間的I/O操作，複用指的是共用一個線程。
I/O多路複用的優點在於：

一個線程可以同時監聽多個I/O操作，減少了線程的數量，避免了線程切換的開銷；

需要注意的是，I/O多路複用只有和NIO配合使用才能發揮作用，因為NIO是非阻塞的，所以可以在一個線程中同時監聽多個I/O操作，而BIO是阻塞的，一個線程只能處理一個I/O操作，所以無法實現I/O多路複用。

3.2 實現

I/O多路複用的實現思路：
對於多個socket連接，程序提供一個文件描述符集合給系統，當某個接口的I/O操作完成後，會通知線程進行處理。

實現I/O多路複用的方式有三種：select、poll、epoll。

1. select

函數原型如下所示：

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

nfds：文件描述符的數量，即文件描述符集合中最大的文件描述符加1；
readfds：讀文件描述符集合；
writefds：寫文件描述符集合；
exceptfds：異常文件描述符集合；
timeout：超時時間；

從參數可以看出來select方式監聽讀、寫、異常事件。

select根據監聽的事件類型分別創建三個文件描述符數組，然後在timeout時間內阻塞線程進行監聽，直到有事件發生或者超時。之後檢查數組中是否有事件到達。
select的缺點在於：

文件描述符數組大小有限，為1024，因此對於高併發場景並不適用；
維持三個文件描述符數組，佔據大量的內存空間；
每次調用select需要將數組從用户空間拷貝到內核空間，同時重新對數組進行遍歷查找，效率低；

2. poll

函數原型如下所示：

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

fds：文件描述符數組；
ndfs：文件描述符數組的大小；
timeout：超時時間；

本質的工作過程和select類似，但是稍微做了改進，只需要構建一個數組，並且數組大小不受限制，而是能夠自由指定；
poll的缺點在於：

每次調用poll之後都需要進行數組遍歷，這一點並沒有改進

3. epoll

為了解決select和poll的缺點，在高併發場景下，不同的操作系統引入了不同的解決方案，例如Linux引入了epoll、FreeBSD引入了kqueue、Solaris引入了/dev/poll。
由epoll實現I/O多路複用，步驟如下：

先創建epoll對象：
```
int epfd = epoll_create(10);
```
其中，int epoll_create(int size)會在內核空間開闢一塊指定大小的數據表，並由epfd指向這部分內存。
創建好epoll對象之後，使用epoll_ctl將註冊需要監聽的事件：
```
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
```
epfd是創建數組之後的內存指針；
op是操作類型，包括三種模式：
- EPOLL_CTL_ADD：添加需要監聽的事件；
- EPOLL_CTL_MOD：修改需要監聽的事件；
- EPOLL_CTL_DEL：刪除需要監聽的事件；
fd是需要監聽的文件描述符，需要支持NIO；

event記錄了註冊事件的具體信息。數據結構如下所示：

typedef union epoll_data {
 void    *ptr;
 int      fd;
 uint32_t u32;
 uint64_t u64;
} epoll_data_t;

struct epoll_event {
 uint32_t     events;    /* Epoll events */
 epoll_data_t data;      /* User data variable */
};

使用epoll_wait進行監聽：
epoll_wait函數原型如下所示：

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);

epfd是創建數組之後的內存指針；
evlist是用於存放事件的數組,也是返回的結果數組，包含被觸發事件的對應文件描述符；
- 這裏顯示了和select、poll的區別，select、poll會返回所有文件描述符然後遍歷，而epoll只會返回被觸發事件的文件描述符；
maxevents是監聽事件的最大容量；
timeout是超時時間；
監聽步驟是block的，也就是阻塞的，只有超時才會返回；

epoll的優點在於：

只返回觸發事件的文件描述符，避免了整個數組的遍歷；
支持水平觸發（Level Trigger）和邊緣觸發（Edge Trigger）兩種模式；
- 對於水平觸發和邊緣觸發，具體解釋可參考這篇博客；
  
  4. AIO
  
  AIO(Asynchronous I/O)，即異步非阻塞I/O模型，AIO的實現方式是基於事件和回調機制的，當一個I/O操作完成後，會通知線程進行處理，因此不需要輪詢操作。

AIO和NIO的區別在於：

NIO：線程需要定時檢查I/O操作是否完成；
AIO：安心去做其他事情，等到通知之後才會進行處理；

5. 技術對比

5.1 BIO、NIO、I/O多路複用、AIO對比

5.2 `select`、`poll`、`epoll`對比

6. 面試模擬

Q：IO多路複用是什麼意思？
A：IO多路複用指的是一個線程管理多個IO連接，監聽多個IO事件；

Q：NIO的具體含義
A：NIO一般理解為Not Blocking IO，即非阻塞IO，和傳統的BIO（阻塞IO）相比，NIO模型中，一個線程在IO操作的時候可以處理其他任務，定期輪詢檢查IO操作是否完成

Q：基於什麼實現的I/O多路複用？
A：傳統的實現方式包括select、poll，但是這兩類方法都需要遍歷數組，效率較低，為此不同的操作系統提出了不同的改進方案，例如solaris提出了/dev/poll，FreeBSD提出了kqueue，Linux提出了epoll，而epoll相比於select、poll的主要區別就是返回的事件列表只包括觸發事件的文件描述符，而不是全部監聽事件的文件描述符，改進了數組遍歷這一監聽方式。