java原理4：java的io网络模型

Posted 2023-03-05 猿来如此dj

文章目录

• • 1：基础概念
  • 1：同步和异步
  • 2：阻塞和非阻塞
  • • 2.1：阻塞IO
    • 2.2：非阻塞io
    • 2.3：io复用
  • 3：同步/异步和阻塞/非阻塞
  • • 3.1：同步非阻塞NIO
  • 4: redis为什么速度快

Java 网络IO模型简介

1：基础概念

正式开始之前，需要铺垫一些基本概念，以免接下来看到一脸懵逼。

我们都知道，在操作系统中，CPU负责执行指令，这些指令有些来自应用程序，有些是底层系统的自调用。有些指令是非常危险的，如清除内存，网络连接等等，如果错误调用的话有可能导致系统崩溃。因而CPU将指令分为特权指令和非特权指令，对于某些特定的指令，只需要操作系统及其相关模块进行调用。因而，根据这个特点，操作系统内部也划分出了内核态和用户态。
  

内核态拥有完全的底层资源控制权限，可以执行任何的CPU指令，访问任何内存地址，其占有的处理机是不允许被抢占的。

用户程序是运行在操作系统之上，这些程序运行时称之为用户态，用户态下不能直接访问底层硬件和内存地址，只能通过委托系统调用的方式来访问底层硬件和内存。
io操作就是一次读写，而读写数据分为两个步骤等待数据和将数据从内核拷贝到用户空间。

1：同步和异步

同步/异步关注的是消息通信机制。

同步：所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。等前一件做完了才能做下一件事。

异步：异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者若不能立刻得到结果，此时可以直接返回然后执行其他任务，等到获得了结果之后通过状态、通知或者回调等手段通知调用者。

同步、异步一般发生在不同的线程/进程之间，如Thread1和Thread2是同步执行还是异步执行的

2：阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态。

阻塞： 阻塞调用是指调用返回之前，当前线程会被挂起，只有当调用得到结果后才返回。

非阻塞：与阻塞相反，非阻塞调用是指在不能立即得到结果之前，该函数不会将当前线程阻塞，而是立即返回。
  当应用程序调用一个 IO 函数，其底层会委托操作系统的recvfrom()去完成，当数据还没有准备好时，revfrom会一直阻塞，等待数据准备好。当数据准备好后，从内核拷贝到用户空间，recvfrom 返回成功，IO函数调用完成。过程如下所示：

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2.1：阻塞IO

阻塞IO模型的优点是编程简单，但缺点是需要配合大量线程使用。应用进程没接收一个连接，就需要为此连接创建一个线程来处理该连接上的读写任务。

阻塞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的操作。阻塞指的是用户空间程序的执行状态。调用进程在等待数据的过程中不会被阻塞，而是会不断地轮询查看数据有没有准备好。当数据准备好后，将数据从内核空间拷贝到用户空间，完成IO函数的调用。等待数据的过程是非阻塞的，但数据拷贝时仍是阻塞的。过程如下所示：

2.2：非阻塞io

非阻塞io的优点在于可以实现使用一个线程同时处理多个连接的需求，减少线程的大量使用。缺点在于要不断地去轮询检查数据是否准备好，比较耗费CPU。

2.3：io复用

为了解决非阻塞IO不断轮询导致CPU占用升高的问题，出现了IO复用模型。IO复用中，使用其他线程帮助去检查多个线程数据的完成情况，提高效率。

Linux中提供了select、poll和epoll三种方式来实现IO复用。一个线程可以对多个IO端口进行监听，当有读写事件产生时会分发到具体的线程进行处理。过程如下所示： 
  IO复用只需要阻塞在select，poll或者epoll，可以同时处理和管理多个连接。缺点是当select、poll或者epoll 管理的连接数过少时，这种模型将退化成阻塞IO 模型。并且还多了一次系统调用：一次select、poll或者epoll 一次recvfrom。

3：同步/异步和阻塞/非阻塞

• 阻塞： 阻塞调用是指调用返回之前，当前线程会被挂起，只有当调用得到结果后才返回。
• 非阻塞：与阻塞相反，非阻塞调用是指在不能立即得到结果之前，该函数不会将当前线程阻塞，而是立即返回。
• 同步：所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。等前一件做完了才能做下一件事,有事件的执行先后顺序，同时只能干一件事。
• 异步：异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

两者的区别

• 同步和异步是针对执行结果的。请求者主动的，等待结果或者通过回调等状态获取执行结果
• 阻塞和非阻塞是是指等待结果时的状态。

阻塞/非阻塞更多的用来形容某次调用的属性（比如 read(),write() 是否是阻塞/非阻塞 ），多在系统内核和用户空间内发生，所以应用范围比较窄；
而同步/异步则更上层，通常指应用中各个功能/线程之间的关系（比如 Thread1 和 Thread2 是同步执行还是异步执行）。

3.1：同步非阻塞NIO

在内核数据没有准备好的阶段，用户线程发起IO请求时，立即返回（同步）。所以，为了读取到最终的数据，用户线程需要不断地发起IO系统调用（非阻塞）。
内核数据到达后，用户线程发起系统调用，用户线程阻塞。内核开始复制数据，它会将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区（用户空间的内存），然后内核返回结果（例如返回复制到的用户缓冲区的字节数）。
用户线程读到数据后，才会解除阻塞状态，重新运行起来。也就是说，用户进程需要经过多次的尝试，才能保证最终真正读到数据，而后继续执行。

4: redis为什么速度快

1：io复用
Redis网络模型是采用I/O多路复用器，对key的处理是单线程 避免了多线程之间的竞争，省去了线程切换带来的时间和空间上的性能开销，而且也不会导致死锁的问题。
2：基于内存的数据K-V操作，速度快，底层用了各种数据结构来保证对key的操作是快的