Netty学习-1. I/O模型

前言

自己学netty的经历一直是断断续续的，希望通过写博客方式鞭策自己。一方面可以记录自己的学习历程，一方面激励自己坚持下去。

1. 背景介绍

Netty作为Java中最出名的高性能网络通信的框架，一直备受各大公司喜爱。比如dubbo框架的底层也是采用Netty作为通信框架。熟悉Netty的同学都知道，Netty支持BIO(OioServerSocketChannel)和NIO(NioServerSocketChannel)两种模式的IO模型，那么这些I/O模型有啥区别呢？还有别的I/O模型吗？

2. 五种I/O模型

1. 阻塞式I/O

阻塞式I/O模型是最常见的I/O模型，进程调用recvfrom后，当前进程会阻塞于recvfrom的系统调用，同时会系统会从用户态切换到内核态，由内核处理tcp数据报，当数据报处理完毕后，还会从将数据从内核空间拷贝到用户空间（内存）。完成上述步骤后才会唤醒用户进程，让用户进程处理数据。

步骤总结:

1. 用户进程发起recvfrom调用，并阻塞于该系统调用
2. 系统处理tcp数据，从TCP缓冲区中将数据拷贝到内核空间的内存
3. 数据报文接受完整后，内核将内核空间中的数据报文拷贝到用户空间的内存中
4. 唤醒用户进程，由用户进程处理数据

2. 非阻塞式I/O

非阻塞式I/O和阻塞式I/O的区别在于，非阻塞式I/O在数据报未准备好的时候，用户进程并不是阻塞在recvfrom，而是会由内核返回一个错误(EWOULDBLOCK)。用户进程收到这个错误后，就知道数据报没有准备好，会轮询的调用recvfrom，直到数据报准备好之后，切换到内核态，由内核将数据从内核空间拷贝到用户空间(内存)。
步骤总结:

1. 用户进程发起recvfrom调用
2. 内核判断数据报是否准备好，如果没准备好返回EWOULDBLOCK错误, 用户进程重复步骤1。
3. 数据报文接受完整后，用户进程阻塞，切换到内核态，由内核将内核空间中的数据报文拷贝到用户空间的内存中
4. 唤醒用户进程，由用户进程处理数据

非阻塞式I/O相比于阻塞式I/O的优缺点如下:

1. 数据报没准备好之前，不会发生用户态到内核态的切换，这种切换的成本是很大的。
2. 非阻塞式I/O会轮询调用，这往往耗费大量CPU时间。

3. I/O复用模型

I/O复用模型中，用户进程并不是阻塞在recvfrom这个系统调用上，而是select/poll/epoll之一的系统调用上。当数据报准备好的时候，由select/poll/epoll唤醒用户进程，用户进程再发起recvfrom，切换到内核态，由内核将数据从内核空间拷贝到用户空间(内存)。

步骤总结:

1. 用户进程阻塞于select/poll/epoll调用
2. 内核判断数据报准备好了之后，返回可读条件
3. 数据报文接受完整后，用户进程阻塞，切换到内核态，由内核将内核空间中的数据报文拷贝到用户空间的内存中
4. 唤醒用户进程，由用户进程处理数据

I/O复用和阻塞式I/O对比:

1. I/O复用第一步会阻塞于select/poll/epoll，然后再阻塞于recvfrom，而阻塞式I/O会直接阻塞于recvfrom，乍看之下，阻塞式I/O只调用了一个系统进程，应该会性能更好。但是，select/poll/epoll是可以同时阻塞多个进程的，而recvfrom每次只能负责一个进程的数据处理。

4. 信号驱动式I/O模型

信号驱动式I/O模型首先发起的并不是recvfrom系统调用，而是sigaction，这个系统调用会立即返回，用户进程可以继续工作，不会被阻塞。当数据报准备好的时候，由内核为用户进程产生一个SIGIO信号，用户进程就可以在这个信号处理函数中可以发起recvfrom的系统调用，拷贝数据了。
步骤总结：

1. 用户进程发起sigaction调用(不会阻塞)
2. 内核判断数据包准备好之后，向用户进程发送SIGIO信号
3. 用户进程在信号处理函数中，就可以发起recvfrom系统调用拷贝数据了

信号驱动式IO的优点:
从图中可以看出，只有发起recvfrom系统调用拷贝数据的时候才会阻塞进程，相比较于前面的三种I/O模型，在阻塞的时间上，CPU的时间消耗上都得到了极大的提高。

5. 异步I/O模型

异步I/O模型是真正意义上的没有阻塞的IO模型，前面的四种模型都是阻塞的。用户进程再发起aio_read调用后，就不管了，用户进程可以继续执行其他的事情了，由内核完成数据拷贝后(从内核空间拷贝到用户空间)，向用户进程发起信号。这个时候数据已经完全准备好交给用户进程直接处理了。
步骤总结：

1. 用户进程发起aio_read调用(不会阻塞)
2. 内核准备好数据，并拷贝到用户空间之后，向用户进程递交信号
3. 用户进程在这个时候就可以直接处理数据了

异步I/O模型的优点：
纯异步，用户进程不需要考虑数据拷贝的问题，完全交由内核处理。

在当前常见的操作系统中，只有windows完整的支持了异步IO模型，而linux目前比较出名的异步I/O模型的支持库是libaio，只有比较新的内核才有。

参考书籍:
《Unix网络编程 卷1：套接字联网API》(第三版)