漫谈Java IO之基础篇

Java的网络编程如果不是专门搞服务器性能开发或者消息分发，几乎可能涉及不到。但是它却是面试找工作必问的一个知识点，涵盖的知识体系也非常广泛，从Java底层IO原理到操作系统内核组成，再到网络TCP、UDP、HTTP的应用实践....因此，即便是职场多年的老油条，仍然需要时刻复习，更别提我这种只有七秒钟记忆的小菜鸟了。

Java网络IO的演化，从最开始JDK1.4之前是基于阻塞的IO；发展到1.4发布后的Nio提供了selector多路复用的机制以及channel和buffer，再到1.7的NIO升级提供了真正的异步api；再发展到后来崭露头角的MINA和Netty。因此整个网络IO编程的学习整理，也会按照下面的几个步骤来进行：

1. 网络IO的基本知识与概念
2. 普通IO以及BIO服务器
3. NIO的使用与服务器Hello world
4. Netty入门与服务器Hello world
5. Netty深入浅出

今天就简单的了解下网络IO需要具备的基本知识与概念。

同步、异步和阻塞、非阻塞

经常听人提起，同步阻塞服务器或者异步非阻塞服务器，网上有很多的文章针对这个概念作出了讲解，每个人理解的貌似都不太一样。最容易把异步和非阻塞搞混....我这里简单的说下自己的理解：

同步synchronous、异步asynchronous，他们的区别就是发起任务后，本身的一个状态——如果是一直等待结果，那就是同步；如果立即返回，并采用其他的方式得到结果就是异步（比如，状态、通知、回调）。

举个例子：

1. 在过去科技不发达的时候，银行取钱都是排队的模式。想取钱就得去排队，直到轮到自己，这就是同步；
2. 现在去银行一般直接叫号，然后去休息位置休息打游戏，登到轮到自己的时候，会有通知，这就是异步；

阻塞blocking、非阻塞non-blocking，则聚焦的是CPU在等待结果的过程中的状态。比如前面的例子，排队的过程中什么也不做就是阻塞；一边排队，一遍玩王者荣耀就是非阻塞的。

用户空间与内和空间

这个概念就涉及操作系统了，为了保护操作系统的安全，会将内存分为用户空间和内核空间两个部分。如果用户想要操作内核空间的数据，需要把数据从内和空间拷贝到用户控件。

举个例子：

服务器接收客户端发过来的请求，想要进行处理，大致会经过下面几个步骤：

1. 服务器的网络驱动接收到消息，去内核上申请空间；并等待完整的数据包到达（有可能分组传送，没传完...），复制到内核空间；
2. 数据从内核空间拷贝到用户空间
3. 用户程序进行处理

因此大致可以把接收消息理解为两个阶段：1. 等待数据到达 2. 拷贝到用户空间

了解了这个过程，就能明白为什么会出现经典的5大网络模型了.

五大网络模型

这几个网络模型还是学生时代的时候也看过，但是理解的不够透彻，也不知道到底有什么区别。最近网上也看过不少的文章，发现有一些文章引用的小例子不错，能很简单的了解这些模型的意思。所以我这边也借鉴一下：

在大连高新万达后面有一条叫做金街的小吃街，有一个露天的路边摊叫做“小红旗”，主要是做炸臭豆腐和冷面，然后用冷面把臭豆腐卷起来，刷上臭烘烘的酱料，非常好吃。每次路过都能看到不少人在排队，队伍长的有种想让人辞职加盟的感觉....基本上排个队伍都得半个小时-一个小时吧。

这个排队的过程，明显就是上面所说的同步阻塞模式....那我这边就设想下，如果小红旗的生意做大了，可以怎么发展？正好套用下网络模型的概念...

1. 同步阻塞IO

这个就不详细说了，排队的过程哪也去不了，如果你还没有带手机，排队的过程中就只能干瞪眼了。这就是很明显的同步+阻塞模式。

2. 同步非阻塞IO

如果小红旗的老板搞了一个点菜机，来点单的顾客把自己想吃的划上，然后等着老板去做，自己可以在这一个小时的时间里去周围商场溜达下。但是由于没有任何通信方式，只能不停的回来问老板，做好了没有。

回来询问的时间是由顾客自己掌控的，如果时间很短，那么可以尽量早的知道臭豆腐炸好没，但是也会影响逛街的体验；如果时间很长，有可能臭豆腐早就做好了..结果放的时间长了，反而不好吃了。

因此非阻塞IO基于状态轮训的方式，虽然能让程序在等待的过程中做点其他的事情，但是频繁的切换运行程序，反而会造成很大的压力。

3. IO多路复用/事件驱动

小红旗老板升级了系统，放弃使用点菜机，改用麦当劳那种点餐大屏。同样是点餐，但是一个大屏里面显示了很多人的臭豆腐进度，即节省了资源，也避免大家不停的询问。

其实Nio活着Netty就是基于这种模式，一个线程就可以监听很多IO操作，这样在IO等待上就高效多了。具体实现是依赖于操作系统的，windows和linux都有不同的实现方式。最初的select或者poll，都有并发数的限制，并且NIO的select还有空轮训的问题；epool则突破了连接数的限制，一个线程就可以监听大量的IO操作。这个感兴趣的朋友，可以深入了解下select、poll、epool的原理。

4. 信号驱动IO

小红旗老板又时髦了，搞了一个升级版的美味不用等。顾客基于微信小程序点菜，菜做好了自动提醒顾客取餐....这个提醒的过程，就像是发射了一个特殊的信号。

不过UNIX网络编程里面的信号驱动，可没这么简单，这个信号是依赖于操作系统底层的，捕获信号或者处理都很麻烦，所以现在应用的也不是很广泛。

5. 异步非阻塞IO

一对小情侣李雷和韩梅梅，韩梅梅口味很重，特别喜欢吃臭豆腐，但是李雷完全不感兴趣，闻到味道就想吐。于是李雷就跟韩梅梅约定，让韩梅梅自己去吃，李雷跑到旁边的咖啡厅喝咖啡。韩梅梅自己去排队买臭豆腐，买完顺便吃完，然后回来找李雷....

这个过程就是异步非阻塞的，消息的等待和处理都在服务器端完成，用户只要最后接收到消息处理完的通知就行了。

总结

总结来说，这几种网络模型：

1. 同步阻塞：强调的是我要做！ —— 别的啥也别说，就是要做！
2. 同步非阻塞：强调的是我想做！ —— 在想的过程中，干点其他的事情更好。
3. 异步非阻塞：强调的是我做完了！—— 等得到结果通知的时候，工作已经做完了。

其中细节，还需慢慢体会...后面的文章将会挑几个模型做代码的演示，更多内容还请持续关注。

参考

1. 并发编程网
2. Netty源码分析
3. Netty源码分析
4. Netty源码分析
5. IO多路复用之select、poll、epoll
6. 聊聊Linux五种IO模型
7. 聊聊同步、异步、阻塞、非阻塞
8. Netty官方文档
9. 一篇文章，读懂Netty的高性能架构之道
10. 代码示例分享