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</li>
</ul>
</div>
@@ -1759,14 +1759,14 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<p>通俗地讲，内核空间（kernel space）是操作系统内核才能访问的区域，是受保护的内存区域，普通应用程序不能访问。而用户空间（user space）则是普通应用程序访问的内存空间。用户空间和内核空间概念的由来和 CPU 的发展有很大关系。在 CPU 的保护模式下，系统需要保护 CPU 赖以运行的资料；为了保证操作系统内核资料，需要把内存空间进行划分为 OS 内核运行的空间和普通应用程序运行的空间，两者不能越界。所谓的空间就是内存地址。操作系统为了保护自己不被普通应用程序破坏，对内核空间进行了一些约束，比如访问权限、页的换入换出，优先级等。</p>
<p>目前的操作系统都是采用虚拟存储器。因此内核空间和用户空间都是指的虚拟空间，也就是虚拟地址。</p>
<p>比如对于 32 位的 Linux 系统而言，用户空间和内核空间划分如下：</p>
<p><img src="assets/8e7d3c50-93c3-11eb-987a-1fa99aac0083" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/8e7d3c50-93c3-11eb-987a-1fa99aac0083.png" alt="img" /></p>
<p>32 位操作系统的寻址空间（虚拟地址空间）为 4G（2 的 32 次方）。在 Linux 中，4G 虚拟地址空间中的最高的 1G 字节空间分配给内核独享使用。低地址的 3G 空间为应用程序共享，即每个应用程序都有最大 3G 的虚拟地址空间。每个进程可以通过系统调用切换进入内核，所有进程可以共享 Linux 内核。因此可以认为每个进程都有 4G 字节的虚拟空间。</p>
<p>Linux 内部结构图如下：</p>
<p><img src="assets/999dbf10-93c3-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/999dbf10-93c3-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a.png" alt="img" /></p>
<h4>Linux 的五种 I/O 模型</h4>
<p>众所周知，出于对 OS 安全性的考虑，用户进程是不能直接操作 I/O 设备的。必须通过系统调用请求操作系统内核来协助完成 I/O 动作。</p>
<p>下图展示了 Linux I/O 的过程。</p>
<p><img src="assets/a31a07b0-93c3-11eb-b9e3-79badd8952b7" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/a31a07b0-93c3-11eb-b9e3-79badd8952b7.png" alt="img" /></p>
<p>操作系统内核收到用户进程发起的请求后，从 I/O 设备读取数据到 kernel buffer 中，再将 buffer 中的数据拷贝到用户进程的地址空间，用户进程获取到数据后返回给客户端。</p>
<p>在 I/O 过程中，对于输入操作通常有两个不同的阶段：</p>
<ul>
@@ -1786,25 +1786,25 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<p><strong>1. Blocking I/O</strong></p>
<p>默认情况下，所有的 Socket 都是阻塞式的。下图展示了一个基于 UDP 的网络数据获取流程。</p>
<p>用户进程调用了 recvfrom 系统调用，此后一直处于等待状态，直到数据包到达并被拷贝到应用程序缓冲区，或者发生 error 才返回。整个过程从开始 recvfrom 调用到它返回一直处于阻塞状态。当 recvfrom 调用返回后，应用进程才能处理数据。</p>
<p><img src="assets/b7816b30-93c3-11eb-987a-1fa99aac0083" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/b7816b30-93c3-11eb-987a-1fa99aac0083.png" alt="img" /></p>
<p><strong>2. Nonblocking I/O</strong></p>
<p>可以设置 Socket 为非阻塞模式。这种设置相当于告诉内核“当 I/O 操作时，如果请求是不可能完成的，不要把进程进入睡眠状态，返回一个错误即可“。下图展示了整个流程：在前三次调用 recvfrom 系统调用时，没有就绪的数据返回，所以内核立即返回 EWOULDBLOCK 错误。第四次调用 recvfrom 时，数据报已经准备好，它被复制到应用程序缓冲区中，然后 recvfrom 成功返回。最后应用进程对数据进行处理。当应用程序在一个非阻塞描述符上循环调用 recvfrom 系统调用时，这种方式也被称为轮询。应用程序不断轮询内核，以查看是否有某些操作准备好了。很明显，这通常会浪费 CPU 时间，但这种模式偶尔也会被使用。通常在专门用于一个功能的系统上使用。</p>
<p><img src="assets/dead57a0-93c3-11eb-ad2b-3b3e8354e125" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/dead57a0-93c3-11eb-ad2b-3b3e8354e125.png" alt="img" /></p>
<p><strong>3. I/O Multiplexing</strong></p>
<p>I/O 多路复用通常使用 select 或者 poll 系统调用。这种方式下的阻塞只是被 select 或者 poll 这两个系统调用阻塞，而不会阻塞实际的 I/O 系统调用（即数据输入、输出不会被阻塞）。下图展示了整个过程。当调用 select 时，应用进程被阻塞。同时，系统内核会“监视”所有 select 负责的 Socket。只要其中有 1 个 Socket 的数据准备好了，select 调用就返回。然后调用 recvfrom 将数据报复制到应用程序缓冲区，最后返回给用户进程。</p>
<p>乍一看，这种方式和 blocking I/O 相比似乎更差，因为整个过程产生了 2 次系统调用，select 和 recvfrom。但是使用 select 的好处是可以同时等待多个描述符准备好。换句话说可以同时“聆听”多个 Socket 通道，同时处理多个连接。select 的优势不是对于单个连接处理得更快，而是能同时处理更多的连接。这和多线程阻塞式 I/O 有点类似。只不过后者是使用多个线程（每个文件描述符对应一个线程）来处理 I/O，每个线程都可以自由地调用阻塞式系统调用，比如 recvfrom。我们知道线程多了会带来上下文切换的开销，因此未必优于 select 方式。在前面 Java NIO 的例子中，我们已经体会到了 selector 带来的性能提升。</p>
<p><img src="assets/ef1e2c90-93c3-11eb-bfbd-21c3c45ef49d" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/ef1e2c90-93c3-11eb-bfbd-21c3c45ef49d.png" alt="img" /></p>
<p>Linux 内核将所有外部设备都当成一个个文件来操作。我们对文件的读写都通过调用内核提供的系统调用；内核给我们返回一个文件描述符（file descriptor）。而对一个 Socket 的读写也会有相应的描述符，称为 socketfd。应用进程对文件的读写通过对 fd 的读写完成。</p>
<p><strong>4. Signal Driven I/O</strong></p>
<p>信号驱动方式就是等数据准备好后，由内核发出 SIGIO 信号通知应用进程。示意图如下：</p>
<p><img src="assets/fe975b10-93c3-11eb-b56e-cd09bd777412" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/fe975b10-93c3-11eb-b56e-cd09bd777412.png" alt="img" /></p>
<p>应用进程通过 sigaction 系统调用建立起 SIGIO 信号处理通道，然后此系统调用就返回，不阻塞。当数据准备好后，内核会产生一个 SIGIO 信号通知到应用进程。此时既可以使用 SIGIO 信号处理器通过 recvfrom 系统调用读取数据，然后通知应用进程数据准备好了，可以处理了；也可以直接通知应用进程读取数据。不管使用何种方式，好处都是应用进程不会阻塞，可以继续执行，只要等待信号通知数据准备好被处理了、数据准备好被读取了。</p>
<p><strong>5. asynchronous I/O</strong></p>
<p>异步 I/O 是由 POSIX 规范定义的。和信号驱动 I/O 模型的区别是前者内核告诉我们何时可以开始一个 I/O 操作，而后者内核会告诉我们一个 I/O 操作何时完成。示意图如下：</p>
<p><img src="assets/078630c0-93c4-11eb-bcbc-e5059ba8d4c2" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/078630c0-93c4-11eb-bcbc-e5059ba8d4c2.png" alt="img" /></p>
<p>当用户进程发起系统调用后会立刻返回，并把所有的任务都交给内核去完成，不会被阻塞等待 I/O 完成。内核完成之后，只需返回一个信号告诉用户进程已经完成就可以了。</p>
<p>五种 I/O 模式可以从同步、异步，阻塞、非阻塞两个维度来划分：</p>
<p><img src="assets/164a6720-93c4-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/164a6720-93c4-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a.png" alt="img" /></p>
<h4>零拷贝（Zero-copy）</h4>
<p>在介绍零拷贝之前我们先看看传统的 Java 网络 IO 编程是怎样的。</p>
<p>下面代码展示了一个典型的 Java 网络程序。</p>
@@ -1816,7 +1816,7 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
socket.getOutputStream().write(arr);
</code></pre>
<p>程序中调用 RandomAccessFile 的 read 方法将 index.jsp 的内容读取到字节数组中。然后调用 write 方法将字节数组中的数据写入到 Socket 对应的输出流中发送给客户端。那么 Java 应用程序中的 read、write 方法对应到 OS 底层是怎样的呢。下图展示了这个过程。</p>
<p><img src="assets/2757f140-93c4-11eb-bcbc-e5059ba8d4c2" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/2757f140-93c4-11eb-bcbc-e5059ba8d4c2.png" alt="img" /></p>
<p>图中上半部分记录了用户态和内核态的上下文切换。下半部分展示了数据的复制过程。上述 Java 代码对应的操作系统底层步骤：</p>
<ol>
<li>read 方法触发操作系统从用户态到切换到内核态。同时通过 DMA 的方式从磁盘读取文件到内核缓冲区。DMA（Direct Memory Access）是 l/O 设备与主存之间由硬件组成的直接数据通路。即不需要 CPU 拷贝数据到内存，而是直接由 DMA 引擎传输数据到内存。</li>
@@ -1829,12 +1829,12 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<p>这就要介绍称之为&quot;零拷贝&quot;的技术。首先声明，零拷贝技术依赖底层 OS 内核提供的支持。Linux 中提供的这类支持有 mmap()，sendfile() 以及 splice() 系统调用。说白了就是减少数据在操作系统内核的缓冲区和用户应用程序地址空间的缓冲区之间进行拷贝。</p>
<p><strong>mmap</strong></p>
<p>mmap 通过内存映射，将文件通过 DMA 的方式映射到内核缓冲区。操作系统会把这段内核缓冲区与应用程序（用户空间）共享。这样，在进行网络传输时，就能减少内核空间到用户空间的拷贝次数。此时输出数据时只要从内核缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区即可。可见减少了一次 CPU 拷贝，但是上下文切换次数并没有减少。整个过程共 2 次 DMA 拷贝，1 次 CPU 拷贝，4 次上下文切换。示意图如下。</p>
<p><img src="assets/0551d9b0-93c6-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/0551d9b0-93c6-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a.png" alt="img" /></p>
<p><strong>sendFile</strong></p>
<p>Linux 2.1 开始提供了 sendFile 函数，其基本原理是：数据根本不经过用户态，直接从 Kernel Buffer 进入到 Socket Buffer，并且由于和用户态完全无关，这就避免了一次上下文切换。下图展示了整个过程。磁盘中的数据通过 DMA 引擎从复制到内核缓冲区。调用 write 方法时从内核缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区。由于在同一个空间，因此没有发生上下文切换。最后由 Socket 缓冲区拷贝到协议引擎。整个过程共发生了 2 次 DMA 拷贝，1 次 CPU 拷贝，3 次上下文切换。</p>
<p><img src="assets/40243580-93c4-11eb-8454-130424f2d76f" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/40243580-93c4-11eb-8454-130424f2d76f.png" alt="img" /></p>
<p>在 Linux 2.4 版本中，进一步做了优化。从 Kernel Buffer 拷贝到 Socket Buffer 的操作也省了，直接拷贝到协议栈，再次减少了 CPU 数据拷贝。下图展示了整个流程。本地文件 index.jsp 要传输到网络中，只需 2 次拷贝。第一次是 DMA 引擎从文件拷贝到内核缓冲区；第二次是从内核缓冲区将数据拷贝到网络协议栈；内核缓存区只会拷贝一些元信息，比如 offset 和 length 信息到 SocketBuffer，基本无消耗。</p>
<p><img src="assets/d7e0d040-93c4-11eb-b56e-cd09bd777412" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/d7e0d040-93c4-11eb-b56e-cd09bd777412.png" alt="img" /></p>
<p>综上所述，最后一种方式发生了 2 次 DMA 拷贝、0 次 CPU 拷贝、3 次上下文切换。这就是所谓的“零拷贝”实现。</p>
<p>因此零拷贝通常是站在操作系统的角度看，即整个过程中，内核缓冲区之间是没有重复数据的。同时伴随着更少的上下文切换。这就带来了 IO 性能质的提升！</p>
<p>实际开发中，mmap 和 sendFile 都有应用，可以认为是“零拷贝”的两种实现方式。它们都有各自的适用场景。mmap 更适合少量数据读写，sendFile 适合大文件传输。sendFile 可以利用 DMA 方式将内核缓冲区将数据拷贝到网络协议栈，减少 CPU 拷贝，而 mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。</p>
@@ -1845,7 +1845,7 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<p>线程模型通常是指线程的使用方式。在 Java I/O 中，主要有 2 种线程模型，即传统的阻塞式 I/O 模型和 Reactor 模型。</p>
<h4>传统的阻塞式 I/O</h4>
<p>正如我们前面写的传统 IO 通信案例版本 4。在版本 4 的例程中，为了同时处理多个客户端的请求，服务端为每一个连接都会分配一个新的线程处理。这个独立的线程完成数据的读写和业务处理。这虽然是“传统”的处理方式，但是也是最经典的 IO 线程模型。示意图如下：</p>
<p><img src="assets/ee0e26b0-93c4-11eb-8398-b3d8a71d8c34" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/ee0e26b0-93c4-11eb-8398-b3d8a71d8c34.png" alt="img" /></p>
<p>该模型采用阻塞式 IO，连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在 read 操作，造成线程资源浪费。</p>
<p>当并发数很大，就会创建大量的线程，占用大量系统资源。</p>
<h4>Reactor 模式</h4>
@@ -1864,14 +1864,14 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<h5><strong>单 Reactor 单线程</strong></h5>
<p>Reactor 对象通过 I/O 复用模型（在 Java NIO 中就是使用 Selector）监控客户端请求事件，收到事件后通过 dispatch 进行分发。如果是建立连接请求事件，则由 acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的数据<strong>读</strong> -&gt; <strong>业务处理</strong> -&gt; <strong>写</strong>。</p>
<p>注意，上述过程都是发生在一个线程里，只不过是非阻塞方式。工作原理示意图如下：</p>
<p><img src="assets/ff03e310-93c4-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/ff03e310-93c4-11eb-9ad9-9f9d57de4e5a.png" alt="img" /></p>
<p>这种方式，服务器端使用一个线程基于多路复用就完成了所有的 IO 操作（包括连接，读数据、业务处理、写数据等），没有多线程间通信、竞争的问题，实现简单。但是如果客户端连接数较多，将无法支撑。因为只有一个线程，不能完全发挥多核 CPU 的性能。且 Handler 在处理某个连接上的业务时，整个线程无法处理其他连接事件。如果业务处理很耗时，很容易会导致性能瓶颈。如果线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统不可用。</p>
<h5><strong>单 Reactor 多线程</strong></h5>
<p>为了克服上述模型的缺点，我们可以考虑将<strong>非 IO</strong> 操作从 Reactor 线程的处理中移出，来提升 Reactor 线程的性能。</p>
<p>具体说明如下：</p>
<p>eactor 对象通过 select 监控 client 端的请求事件，收到事件后，通过 dispatch 进行分发。</p>
<p>如果是连接建立请求，则由 acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后分配一个 Handler 对象处理完成连接后的数据读写。</p>
<p><img src="assets/07d60900-93c5-11eb-9c54-0984fa5d923a" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/07d60900-93c5-11eb-9c54-0984fa5d923a.png" alt="img" /></p>
<p>如果不是连接请求，则由 reactor 分发（dispatch）给连接对应的 Handler 来处理。Handler 和 Reactor 运行在同一个线程中。</p>
<p>Handler 只负责响应 IO 事件，不做具体的业务处理。read 数据后，会分发给 Worker 线程池的某个线程进行业务逻辑处理。</p>
<p>Worker 线程池会分配单独的线程完成真正的业务处理，包括编解码、逻辑计算，完成处理后将结果数据返回给 handler。</p>
@@ -1890,7 +1890,7 @@ class NioHandler1 implements Runnable {
<p>这种方式的优点非常明显，就是减轻了 mainRecator 的负担，让其只负责处理连接请求，不包含 I/O 的处理。后续的处理统统交给 SubReactor。主、从 Reactor 分别运行在不同的线程中，且线程数可以配置。业务处理还是交给 worker 线程池中的线程执行。</p>
<p>主从 Reactor 线程模型在许多项目中都有应用，比如 Nginx 的主从 Reactor 多进程模型、Netty 的主从多线程模型等。</p>
<p>其工作原理示意图如下（注意观察和上面一个图的区别）：</p>
<p><img src="assets/1409d080-93c5-11eb-8398-b3d8a71d8c34" alt="在这里插入图片描述" /></p>
<p><img src="assets/1409d080-93c5-11eb-8398-b3d8a71d8c34.png" alt="img" /></p>
<h3>总结</h3>
<p>本篇我们带领读者回顾了一下 Java 中 IO 相关的理论知识，并通过多个代码案例加深了理解。</p>
</div>