IO多路复用原理（大白话，通俗易懂）

末蓝、 2023-09-27 15:24 106阅读 0赞

## IO多路复用技术： ##

讲IO多路复用技术之前，我们得先了解NIO和BIO。

## BIO ##

BIO （Block IO）：同步阻塞IO。一般我们传统的JDK内置的Socket编程就是阻塞IO。其底层流程是：①创建socket接口，号为x，通过bind函数将接口号与端口号进行绑定，然后进行listn监听事件或者是read读事件，且会一直阻塞在该命令，直到有客户端连接或者发送数据。  
缺点：如果是在单线程环境下，由于是阻塞地获取结果，只能有一个客户端连接。而如果是在多线程环境下，需要不断地新建线程来接收客户端，这样会浪费大量的空间。

## NIO ##

NIO（NONBLOCK IO）：同步非阻塞IO。非阻塞意味着程序无需等到结果，持续进行。其底层原理是：①同样与BIO相同创建Socket接口，号为x，绑定接口号与端口号，然后进行listen监听事件或者是读数据事件。②通过configureBlock函数传入参数false，底层命令为 fcntl（socket号，nonblock）将socket号标记为非阻塞。③循环执行。假如有客户端进行连接，则返回一个新的socket号，将新的socket号加入一个list中，然后遍历list中的元素查看有无发生read事件；如果没有客户端进行连接，则返回-1，代表没有客户端连接，再不断地循环。  
缺点：需要遍历list中的每个集合查看有无监听的事件发生，时间复杂度为O（n），浪费CPU资源。

## IO多路复用之select模型和poll模型 ##

IO多路复用技术（select函数模型和poll函数模型）：进程通过告诉多路复用器（内核）（也就是select函数和poll函数）所有的socket号，多路复用器再去获取每一个socket的状态，当程序获取到某个socket号有事件发生了，则去该socket号上进行处理对应的事件，read事件或者是recived事件。（补充select函数与poll函数的区别是，前者底层是数组，所以有最大连接数的限制，后者是链表，无最大连接数的限制）  
缺点：①同样与NIO相同，需要遍历所有socket，O（N）复杂度。②重复传递数据。因为内核是无状态的，每次都要根据进程不断重复从用户态向内核态传递所有的socket号去遍历每一个socket，获取它们的状态。浪费资源与效率，可以使用一个记事本记录每个socket的监听事件。

## IO多路复用之epoll模型 ##

IO多路复用技术（epoll函数模型）：epoll函数模型主要是调用了三个函数：epoll\_create() , epoll\_ctl() , epoll\_wait()；  
底层流程：①通过epoll\_create() 函数创建一个文件，返回一个文件描述符（Linus系统一切对象皆为文件）fd ② 创建socket接口号4，绑定socket号与端口号，监听事件，标记为非阻塞。通过epoll\_ctl() 函数将该socket号 以及 需要监听的事件（如listen事件）写入fd中。③循环调用epoll\_wait() 函数进行监听，返回已经就绪事件序列的长度（返回0则说明无状态，大于0则说明有n个事件已就绪）。例如如果有客户端进行连接，则，再调用accept()函数与4号socket进行连接，连接后返回一个新的socket号，且需要监听读事件，则再通过epoll\_ctl()将新的socket号以及对应的事件（如read读事件）写入fd中，epoll\_wait()进行监听。循环往复。  
优点：不需要再遍历所有的socket号来获取每一个socket的状态，只需要管理活跃的连接。即监听在通过epoll\_create()创建的文件中注册的socket号以及对应的事件。只有产生就绪事件，才会处理，所以操作都是有效的，为O(1).  
补充：众所周知，设备（进程）是通过中断机制来请求CPU进行IO处理。使用epoll模型能加快CPU的处理效率。如网卡想通过IO来向系统传输一个数据，就通过中断获取CPU时间片，将该数据放置就绪事件序列中，等待CPU下一次进行epoll\_wait()即可获取到对应数据，无需再通过往fd中注册socket号对应的事件等等。

## epoll函数的边缘触发与水平触发的区别： ##

边缘触发：当文件描述符关联的读内核缓冲区发生变化时候，才发出可读信号进行通知  
水平触发：只要文件描述符关联的读内核缓冲区非空，有数据可以读取，就一直发出可读信号进行通知  
举个例子：  
1.读缓冲区刚开始是空的  
2.读缓冲区写入2KB数据  
3.水平触发和边缘触发模式此时都会发出可读信号  
4.收到信号通知后，读取了1kb的数据，读缓冲区还剩余1KB数据  
5.水平触发会再次进行通知，而边缘触发不会再进行通知

因为边缘触发对于一次就绪事件只会触发一次，所以需要一次性的把缓冲区的数据读完为止，也就是一直读，直到读到缓冲区为空为止，因为这一点，边缘触发需要设置文件句柄为非阻塞。

但是，还没完，epoll模型（selector模型）还有不足，就是如果当epoll\_wait()方法返回了10w个就绪事件，就需要等待这10w个就绪事件处理完成，才能继续下面的命令，去响应新的事件，这样就容易让新的事件超时。因此，提出了Reactor模型。

## Reactor模型 ##

我们可以通过更多的处理器和更多的线程来更快地处理事件。所以，提出了主从Reactor多线程模型（1个主Reactor+多个从Reactor+线程池）。

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主Reactor只会进行响应客户端连接的事件，即accept事件，其余的事件交给剩下的从Reactor进行处理，进行了解耦。且由于我们的CPU一般是多核的，可以利用多线程来加快事件的处理速度。Nginx和Redis都是基于Reactor模型来实现在单线程的环境下实现与多个客户端并发交互。

## Redis的IO多路复用模型： ##

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Netty的多路复用模型：（可以看出来是有多个Selector的，所以是基于多线程的）

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