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BIO实战、NIO编程与直接内存、零拷贝深入辨析

长连接、短连接

• 长连接
  • socket连接后不管是否使用都会保持连接状态
  • 多用于操作频繁，点对点的通讯，避免频繁socket创建造成资源浪费，比如TCP
• 短连接
  • socket连接后发送完数据后就断开
  • 早期的http服务采用的短连接

网络编程

• 网络编程

  • BIO

    • 一个连接一个线程，客户端有连接请求时服务端就需要启动一个线程进行处理，线程开销大
      • BIO是面向流的，各种流都是阻塞的，并且是单向的

  • 伪异步IO

    • 将请求连接放入线程池，一对多，但线程依旧是宝贵资源

  • NIO

    • 一个请求一个线程，但客户端发送的请求连接都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理
      • NIO是面向缓冲区的、非阻塞，并且channel是双向的
      • 基于事件驱动模型、单线程处理多任务
      • 非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞
      • 基于块的传输比基于流的传输更高效，基于零拷贝保证网络传输速度
      • 基于Reactor线程模型，在Reactor模型中，事件会提前注册回调函数，事件分发器在等待该事件发生，事件分发器就将该事件交给对应的回调函数进行处理读写操作

  • AIO

    • 一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务端去启动线程进行处理

• 问题: NIO与BIO的区别

  • NIO是面向缓冲区的，BIO是面向流的

    • 流

      • 从流中读一个或多个字节直到全部有序被读出，不能前后移动数据

    • 缓冲区

      • 通过将读取的数据缓存到缓冲区可以进行适度的移动操作

  • NIO是非阻塞的，BIO是阻塞的

    • 阻塞
      • 当线程需要读写时，需要等待操作结束后，才能继续后续的操作
    • 非阻塞
      • 当线程需要读写时，一旦收到读写请求，会将读写交给提前注册好的回调函数进行处理，所以单线程能处理更多的任务

NIO的三大组件

• 选择器(Selector)
  • 允许单独的一个线程来监视多个管道，可以注册多个管道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程操作这个选择器
• 管道(Channel)
  • 主要是负责程序与OS的读写交互
• 缓冲区(Buffer)
  • 用于和管道进行交互，数据通过管道读入缓冲区或从缓冲区写入管道中

直接内存

• 在NIO下采用直接内存(DirectByteBuffer)进行操作，一般速度比堆内存(HeapByteBuffer)快很多
• 直接内存并不是JVM的内存区域，而是通过本地库获取到的堆外内存
• 直接内存(堆外内存)与堆内存比较
  • 直接内存申请空间耗费更高的性能，当频繁申请到一定量时尤为明显
  • 直接内存 IO 读写的性能要优于普通的堆内存，在多次读写操作的情况下差异明显

传统数据传送机制

• 从磁盘读取内核态缓冲区，从内核态缓冲区拷贝到用户态缓冲，用户态再读取缓冲数据拷贝到socket，socket将数据拷贝到网卡进行网络传输

零拷贝

• 执行读写操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域，通过减少中间复制操作来提升网络传输速度
  • 可以通过DMA(直接内存访问)减少内核态与内核态的交互过程

mmap

• 通过磁盘文件位置与程序的缓冲区建立映射关系，减少拷贝次数
  • 3次拷贝(1次CPU拷贝、2次DMA拷贝)以及4次上下文切换

sendfile

• 通过向内核态发送sendfile指令操控它进行文件复制
  • 3次拷贝(1次CPU拷贝，2次DMA拷贝)以及2次上下文切换

splice

• 数据从磁盘读取到OS内核缓冲区后，在内核缓冲区直接可将其转成内核空间其他数据buffer，而不需要拷贝到用户空间
• 2次拷贝(2次DMA拷贝)以及2次上下文切换

Netty的零拷贝实现

• 在网络通信上，接收和发送数据通过直接内存进行操作
• 在缓存操作上，通过合并多个缓冲数据，避免重复拷贝
• 在文件传输上，直接通过文件缓冲数据传输到管道，避免拷贝