网络编程——BIO与NIO介绍与底层原理

BIO

BIO(Blocking IO) 又称同步阻塞IO，一个客户端由一个线程来进行处理

当客户端建立连接后，服务端会开辟线程用来与客户端进行连接。以下两种情况会造成IO阻塞：

1. 服务端会一直阻塞，直到和客户端进行连接
2. 客户端也会一直阻塞，直到和服务端进行连接

基于BIO，当连接时，每有一个客户端，服务就开启线程处理，这样对资源的占用时非常大的；如果使用线城市来做优化，当大量连接时，服务端也会面临无空闲线程处理的问题。那么怎么设计才能让单个线程能够处理更多请求，而不是一个。所以NIO就被提出。

NIO

NIO（Non Blocking IO）又称同步非阻塞IO。服务器实现模式为把多个连接(请求)放入集合中，只用一个线程可以处理多个请求（连接），也就是多路复用。

NIO有3大核心组件：

1. Buffer：缓冲区，buffer 底层就是数组
2. Channel：通道，channel 类似于流，每个 channel 对应一个 buffer缓冲区
3. Selector：多路复用器，channel 会注册到 selector 上，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理

这样就大大提升了连接的数量，用于接收请求。

NIO目前有三个函数（模型）

• select
• poll
• epoll

Select函数

Select 是Linux提供的一个函数，可以将一批fd一次性传递给内核，然后由内核去遍历，来确定哪个fd符合，并提供给用户空间

Select 函数处理过程

1. 将用户空间的fd数组拷贝到内核空间
2. 内核空间会遍历fd数组，查看是否有数据到达
   1. 遍历所有fd，将当前进程挂到每个fd的等待队列中
   2. 当设备收到一条消息（网络设备）或填写完文件数据（磁盘设备）后，会唤醒设备等待队列上睡眠的进程，随后当前进程就会被唤醒
3. 遍历完成后，如果有数据到达，返回有数据到达的fd的数量，并对用户空间的fd做标记
4. 如果无数据到达，则当前进程进入睡眠，当有某个fd有I/O事件或当前进程睡眠超时后，当前进程重新唤醒再次遍历所有fd文件
5. 用户空间再此循环遍历，没有标记的 fd 不处理，只有标记的fd才会去处理

Select存在的问题

1. fd数量有限制：单个进程所打开的fd是有限制的，通过 FD_SETSIZE 设置，默认1024
2. fd拷贝耗时：每次调用 select，需要将fd数组从用户空间拷贝到内核空间
3. 内核空间遍历耗时：内核空间通过遍历的方式，查看fd是否有数据到达，这是一个同步的过程
4. 找到fd后，返回的是数量，而不是fd本身：select返回的是fd的数量，具体是哪个还需要用户自己遍历

Poll函数

Poll 也是Linux提供的内核函数，poll 和 select 基本是一致，唯一的区别在于它们支持的fd的数量不一致

• select : 只能监听 1024 个fd
• poll ：无限制，操作系统支持多少，poll 就可以支持多少

Epoll函数

poll解决了select函数的fd数量问题，而epoll解决了select、poll函数其余问题：

1. fd数量有限制：poll已经解决此问题

2. fd拷贝耗时：内核空间种保存一份fd数组，无需用户每次都重新传入，只需要告诉内核修改的部分即可

3. 内核空间遍历耗时：内核空间不再通过遍历的方式找fd，而是通过异步 IO 事件唤醒

4. 找到fd后，返回的是数量，而不是fd本身：内核空间会通过异步 IO 事件，将fd返回给用户，用户无需在遍历整个fd数组
   
   因此，epoll提供3 个函数，来处理上述改进的方案：

5. epoll_create：创建 epoll 句柄

6. epoll_ctl：向内核空间添加，修改，删除需要监控的fd

7. epoll_wait、epoll_pwait：类似 select 函数