NIO、BIO和IO多路复用总结

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BIO

  读取时如果数据还没准备好,则阻塞线程。

缺点

  • 发生上下文切换,一个线程管理一个io

NIO

  不阻塞,读取时如果还没数据准备好,则返回-1。

缺点

  • 如果都多个io,需要一个一个检测,每次检测调用read都会发生上下文切换(read是系统调用,每调用一次就得在用户态和核心态切换一次)
  • 第一次读取不到时,不知道应该等待多久再尝试读取一次

IO多路复用

  IO多路复用(IO Multiplexing) 是这么一种机制:程序注册一组socket文件描述符给操作系统,表示“我要监视这些fd是否有IO事件发生,有了就告诉程序处理”。
  IO多路复用和NIO是要配合一起使用才有实际意义。
  IO多路复用有select、poll、epoll三种方式。

select

  select只有一个函数,调用select时,需要将监听句柄和最大等待时间作为参数传递进去,select会发生阻塞,直到一个事件发生了,或者等到最大1秒钟(tv定义了这个时间长度)就返回。

缺点
  • select返回后要挨个遍历fd,找到被“SET”的那些进行处理
  • select是无状态的,即每次调用select,内核都要重新检查所有被注册的fd的状态。select返回后,这些状态就被返回了,内核不会记住它们;到了下一次调用,内核依然要重新检查一遍。于是查询的效率很低
  • select能够支持的最大的fd数组的长度是1024
poll

  poll优化了select的一些问题,参数变得简单一些,没有了1024的限制。但其他的问题依旧。

缺点
  • 依然是无状态的,性能的问题与select差不多一样
  • 应用程序仍然无法很方便的拿到那些“有事件发生的fd“,还是需要遍历所有注册的fd
epoll

  使用epoll时,需要先使用函数epoll_create()在内核层创建了一个数据表,接口参数是一个表达要监听事件列表的长度的数值(会动态改变的)。这样一来,不用每次监听都要传一遍fd(传递fd会导致fd数据从用户态复制到内核态)。
  创建完数据表,就可以使用另外一个函数epoll_ctl()来管理数据表,对监听的fd执行增删改操作。
  最后再调用epoll_wait()方法等待事件的发生。

优点
  • 为什么epoll的性能比select和poll要强呢? select和poll每次都需要把完成的fd列表传入到内核,迫使内核每次必须从头扫描到尾。而epoll完全是反过来的。epoll在内核的数据被建立好了之后,每次某个被监听的fd一旦有事件发生,内核就直接标记之。epoll_wait调用时,会尝试直接读取到当时已经标记好的fd列表,如果没有就会进入等待状态。
  • 同时,epoll_wait直接只返回了被触发的fd列表,这样上层应用写起来也轻松愉快,再也不用从大量注册的fd中筛选出有事件的fd了。

  epoll除了性能优势,还有一个优点——同时支持水平触发(Level Trigger)和边沿触发(Edge Trigger)。

水平触发和边沿触发

  考虑下图中的例子。有两个socket的fd——fd1和fd2。我们设定监听f1的“水平触发读事件“,监听fd2的”边沿触发读事件“。我们使用在时刻t1,使用epoll_wait监听他们的事件。在时刻t2时,两个fd都到了100bytes数据,于是在时刻t3, epoll_wait返回了两个fd进行处理。在t4,我们故意不读取所有的数据出来,只各自读50bytes。然后在t5重新注册两个事件并监听。在t6时,只有fd1会返回,因为fd1里的数据没有读完,仍然处于“被触发”状态;而fd2不会被返回,因为没有新数据到达。

这个例子很明确的显示了水平触发和边沿触发的区别。

  • 水平触发只关心文件描述符中是否还有没完成处理的数据,如果有,不管怎样epoll_wait,总是会被返回。简单说——水平触发代表了一种“状态”。
  • 边沿触发只关心文件描述符是否有新的事件产生,如果有,则返回;如果返回过一次,不管程序是否处理了,只要没有新的事件产生,epoll_wait不会再认为这个fd被“触发”了。简单说——边沿触发代表了一个“事件”。

  Netty的 epoll transport使用 epoll edge-triggered 而 java的 nio 使用 level-triggered

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