《Java高并发核心编程. 卷1, NIO、Netty、Redis、ZooKeeper》读书笔记

拼搏现实的明天。 2024-03-26 19:58 39阅读 0赞

## 第2章　高并发IO的底层原理 ##

### 2.1　IO读写的基本原理 ###

为了避免用户进程直接操作内核，保证内核安全，操作系统将内存（虚拟内存）划分为两部分：一部分是`内核空间（Kernel-Space）`，另一部分是`用户空间（User-Space）`

>  *  上层应用通过操作系统的`read`系统调用把数据从`内核缓冲区`复制到`应用程序的进程缓冲区`，通过操作系统的`write`系统调用把数据从`应用程序的进程缓冲区`复制到操作系统的`内核缓冲区`。
>  *  read和write两大系统调用都不负责数据在`内核缓冲区`和`物理设备`（如磁盘、网卡等）之间的交换。这个底层的读写交换操作是由`操作系统内核（Kernel）`来完成的。
>  *  在Linux系统中，**操作系统内核只有一个内核缓冲区**。**每个用户程序（进程）都有自己独立的缓冲区**，叫作`用户缓冲区`或者`进程缓冲区`。

#### Java客户端和服务端之间完成一次socket请求和响应（包括read和write）的数据交换，其完整的流程如下： ####

>  *  客户端发送请求：Java客户端程序通过write系统调用**将数据复制到内核缓冲区**，Linux将内核缓冲区的请求数据**通过客户端机器的网卡发送出去**。
>  *  服务端获取请求：在服务端，这份**请求数据会从接收网卡中读取到服务端机器的内核缓冲区**。Java服务端程序通过read系统调用从Linux内核缓冲区读取数据，**再送入Java进程缓冲区**。
>  *  服务端业务处理：Java服务器在自己的用户空间中完成客户端的请求所对应的**业务处理**。
>  *  服务端返回数据：Java服务器完成处理后，构建好的**响应数据将从用户缓冲区写入内核缓冲区**，这里用到的是write系统调用。服务端Linux系统**将内核缓冲区中的数据写入网卡**，**网卡通过底层的通信协议将数据发送给目标客户端**。

### 2.2　四种主要的IO模型 ###

> 阻塞IO（Blocking IO）指的是需要内核IO操作彻底完成后才返回到用户空间执行用户程序的操作指令。  
> 阻塞 指的是用户程序（发起IO请求的进程或者线程）的执行状态。  
>  非阻塞IO（Non-Blocking IO，NIO）指的是用户空间的程序不需要等待内核IO操作彻底完成，可以立即返回用户空间去执行后续的指令，即发起IO请求的用户进程（或者线程）处于非阻塞状态，与此同时，内核会立即返回给用户一个IO状态值。
> 
> > 阻塞和非阻塞的区别是什么呢？  
> > 阻塞是指用户进程（或者线程）一直在等待，而不能做别的事情；  
> > 非阻塞是指用户进程（或者线程）获得内核返回的状态值就返回自己的空间，可以去做别的事情。在Java中，非阻塞IO的socket被设置为NONBLOCK模式

> 同步IO是指用户空间（进程或者线程）是主动发起IO请求的一方，系统内核是被动接收方。  
> 异步IO（Asynchronous IO，AIO）则反过来，系统内核是主动发起IO请求的一方，用户空间是被动接收方。

> #### 1、 同步阻塞IO ####
> 
> 指的是用户空间（或者线程）主动发起，需要等待内核IO操作彻底完成后才返回到用户空间的IO操作。  
> 在IO操作过程中，发起IO请求的用户进程（或者线程）处于阻塞状态。  
> ![在这里插入图片描述][b91c34ea29f446348dafc3ea7b3ca5f0.png]

> #### 2、同步非阻塞IO ####
> 
> 指的是用户进程主动发起，不需要等待内核IO操作彻底完成就能立即返回用户空间的IO操作。  
> 在IO操作过程中，发起IO请求的用户进程（或者线程）处于非阻塞状态。  
> ![在这里插入图片描述][b8d665ebb0234de59c3ad2420587c2c7.png]

>  *  同步非阻塞IO的特点是应用程序的线程需要不断地进行IO系统调用，轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好就继续轮询，直到完成IO系统调用为止。这将占用大量的CPU时间，效率低下。
>  *  在高并发应用场景中，同步非阻塞IO是性能很低的，也是基本不可用的。但是此模型还是有价值的，其作用在于其他IO模型中可以使用非阻塞IO模型作为基础，以实现其高性能。

> #### 2、IO多路复用 ####
> 
> 一个用户进程（或者线程）可以监视多个文件描述符，一旦某个描述符就绪（一般是内核缓冲区可读/可写），内核就能够将文件描述符的就绪状态返回给用户进程（或者线程），用户空间可以根据文件描述符的就绪状态进行相应的IO系统调用。  
> ![在这里插入图片描述][debfeb20ad0c47b3adbe66acbea413ba.png]

> #### 4、异步IO模型 ####
> 
> 在异步IO模型中，当用户线程收到通知时，数据已经被内核读取完毕并放在了用户缓冲区内，内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。  
> 异步IO类似于Java中典型的回调模式，用户进程（或者线程）向内核空间注册了各种IO事件的回调函数，由内核去主动调用。  
> ![在这里插入图片描述][02cb0872d742419abd766c4ac6a3e9fc.png]

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