Netty是網絡應用框架，所以從最本質的角度來看，是對網絡I/O模型的封裝使用。

因此，要深刻理解Netty的高性能，也必須從網絡I/O模型說起。

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看完本文，可以回答這三個問題：

• 五種I/O模型是什么?核心區別在哪里?
• 同步=阻塞?異步=非阻塞?
• Netty的高性能，是采用了哪種I/O模型?

1.掌握五種I/O模型的關鍵鑰匙

Unix系統下的五種基本I/O模型大家應該都有所耳聞，分為：

• blocking I/O(同步阻塞IO,BIO)
• nonblocking I/O(同步非阻塞IO，NIO)
• I/O multiplexing (I/O多路復用)
• signal driven I/O(信號驅動I/O)
• asynchronous I/O(異步I/O，AIO)

每種I/O的特性如何，尤其是同步/非同步、阻塞/非阻塞的區別，其實很多人并不能準確地進行區分。

所以，我們先把最核心的“鑰匙”告訴大家，帶著這把“鑰匙”再來看I/O模型的關鍵問題，就能手到擒來了。

當一次網絡IO發生時，主要涉及到三個對象：

• 發起此次IO操作的Process或者Application
• 系統內核kernel。用戶進程無法直接操作I/O設備，必須通過系統內核kernel與I/O設備交互。
• I/O設備，包括網絡、磁盤等。本文主要針對網絡。

真正的I/O過程，主要分為兩個階段：

• 等待數據準備階段。
• 數據拷貝階段。數據準備完畢，從內核kernel拷貝到進程process中

以一個socket上的輸入操作為例。

第一步通常涉及等待數據從網絡中到達。當所等待分組到達時，它被復制到內核中的某個緩沖區。

第二步就是把數據從內核緩沖區復制到用戶態緩沖區。

這里，我們先記住這 兩個階段，掌握所有I/O模型區別的“關鍵鑰匙”就在它們身上。

2.五種I/O模型詳解

2.1 同步阻塞I/O, BIO

我們一般使用最多的，最基礎的I/O模型就是同步阻塞I/O。

典型應用：

阻塞socket、Java BIO

我們來解讀一下BIO的過程：

• 應用進程向內核發起 I/O 請求，發起調用的線程 一直阻塞，等待內核返回結果。
• 數據準備完畢，從內核kernel拷貝到用戶態內存(仍舊阻塞)，然后kernel返回結果，用戶進程process結束阻塞，重新運行。

“關鍵鑰匙”分析：

BIO的特點就是在IO執行的 兩個階段 都被 阻塞 了。

所以，我們日常使用BIO模型的時候，提高性能的方式，就是采用 多線程。

在一般的場景中，多線程模型下的BIO是成本較低、收益較高的方式。但是，如果在高并發的場景下，過多的創建線程，會嚴重占據系統資源，降低系統對外界響應效率。

那是不是可以考慮使用“線程池”或者“連接池”呢?

一定程度上可以。“池化”的目的在于減少創建和銷毀線程的頻率，讓空閑的線程重新承擔新的執行任務，維持一個合理的線程數量，可以很好的降低系統開銷。

但是，“池化”技術只能一定程度上緩解了頻繁調用IO接口帶來的資源占用。如果“池”上限100，而我們需要1000的IO，那并不能解決性能問題，這是由于BIO模型本身的限制決定的。

所以，需要非阻塞I/O來嘗試解決這個問題。

2.2 同步非阻塞I/O, NIO

BIO的阻塞問題，讓我們考慮使用非阻塞的NIO模型。

典型應用：

socket的非阻塞模式

應用進程向內核發起 I/O 請求后，如果kernel中的數據還沒有準備好，不再會“阻塞”等待結果，而是會立即返回。

從用戶進程角度講 ，它發起一個IO操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。

用戶進程判斷結果是一個error時，它就知道數據還沒有準備好，于是它開始發起輪訓操作。

直到kernel中的數據準備好了，一旦用戶再輪訓過來，就馬上將數據拷貝到了用戶內存，然后返回。

所以，在非阻塞式IO中，用戶進程其實是需要不斷地主動詢問kernel數據準備好了沒有。

“關鍵鑰匙”分析：

非阻塞NIO模型相比于BIO的顯著差異在于，在“數據等待”階段，不再“阻塞”，立即返回。

但是在“數據拷貝”階段，仍然是“阻塞”的。

雖然非阻塞模型避免了“數據等待”階段的阻塞，但是，采用輪詢方式，會導致系統上下文切換開銷很大，會大幅度推高CPU 占用率。

因此，單獨使用非阻塞 I/O 模型的效率并不高。而且隨著并發量的提升，非阻塞 I/O 會存在嚴重的性能浪費。

我們可以看到，輪訓的目的只是檢測“數據是否已經就緒”，而操作系統提供了更為高效的檢測接口，

例如select()多路復用模式，可以一次檢測多個連接是否活躍。

2.3 多路復用IO

多路復用實現了一個線程處理多個 I/O 句柄的操作，有些地方也稱這種IO方式為事件驅動IO(event driven IO)。

多路 指的是多個數據通道

復用 指的是使用一個或多個固定線程來處理每一個 Socket。

典型應用：

select、poll、epoll三種方案

Java NIO

多個的進程的IO可以注冊到一個復用器(selector)上，然后用一個進程調用select，select會監聽所有注冊進來的IO。

如果selector所有監聽的IO在內核緩沖區都沒有可讀數據，select調用進程會被阻塞;同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，如果任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回;

然后select調用進程可以自己或通知另外的進程(注冊進程)來再次發起讀取IO，然后process將數據從kernel拷貝到用戶進程，讀取內核中準備好的數據。

可以看到，多個進程注冊IO后，只有一個select調用進程被阻塞。

多路復用解決了同步阻塞 I/O 和同步非阻塞 I/O 的問題，是一種非常高效的 I/O 模型。我們可以直觀看到，這個模型的好處在于單個process就可以同時處理多個網絡連接的IO。

“關鍵鑰匙”分析：

多路復用I/O，select階段，對于多路socket的“數據等待”階段而言，是“非阻塞”。

對單個socket的“數據拷貝”階段，也是“阻塞”。

這里需要特別注意!!!!

其實如果處理的IO數不多的情況下，使用多路復用IO的web server不一定比使用 池化+BIO 的web server性能更好，可能延遲還更大。

考慮極端情況下，只有一個IO，多路復用需要 2 次系統調用(select + recvfrom)，而BIO只需要 1 次系統調用(recvfrom)。

所以，多路復用IO的優勢并不是對于單個連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。

2.4 信號驅動I/O

在使用信號驅動 I/O 時，當數據準備就緒后，內核通過發送一個 SIGIO 信號通知應用進程，應用進程就可以開始讀取數據了。

信號驅動I/O模型的最大特點，就是不需要process進程不斷輪訓內核是否已經準備就緒。

“關鍵鑰匙”分析：

信號驅動I/O在"數據等待"階段“非阻塞”。

當數據準備完成后，信號通知process，process開始“數據拷貝”階段，這里仍然是“阻塞”的。

信號驅動 I/O 有幾個缺陷：

1)在大量 IO 操作時可能會因為信號隊列溢出導致沒法通知。

2)信號驅動 I/O 盡管對于處理 UDP 套接字來說有用，信號通知意味著到達一個數據報，或者返回一個異步錯誤。

但是，對于 TCP 而言，信號驅動的 I/O 方式不太好用。因為導致信號通知的情況有非常多種，每一個來進行判別會消耗很大資源。

所以信號驅動I/O模式用得非常少。

而且尤其需要注意，在“數據拷貝”階段，它仍然是“阻塞”的。

2.5 異步I/O，AIO

真正的異步I/O，就是AIO。

典型應用：

JAVA7 AIO、高性能服務器

根據前面四個模型的分析，相信大家已經能明顯看懂這個模型的運行方式了。

用戶進程發起I/O請求后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它收到一個請求之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產生任何block。然后，kernel會等待數據準備完成，然后將數據拷貝到用戶內存，當這一切都完成之后，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它I/O操作完成了。

AIO最重要的一點是 從內核緩沖區拷貝數據到用戶態緩沖區的過程也是由系統異步完成，應用進程只需要在指定的數組中引用數據即可。

AIO 與信號驅動 I/O 的主要區別：

信號驅動 I/O 由內核通知何時可以開始一個 I/O 操作，而異步 I/O 由內核通知 I/O 操作何時已經完成。

“關鍵鑰匙”分析：

"數據等待"階段，非阻塞

"數據拷貝”階段，非阻塞

AIO是真正的異步模型，它不會對請求進程產生任何的阻塞。

3. 同步=阻塞?異步=非阻塞?

日常使用過程中，我們往往把 同步I/O 等同于 阻塞I/O，異步I/O 等同于 非阻塞I/O。

實際上，嚴格意義來說，這兩組概念還是有很大的區別的。

3.1 阻塞I/O 與 非阻塞I/O

阻塞與非阻塞的區別比較明顯，也很好理解。

結合I/O模型來說，阻塞I/O會一直block對應的進程直到操作完成，而非阻塞 IO在kernel 在"等待數據準備"階段會立刻返回。

所以我們一般認為，阻塞I/O只有BIO，另外四個模型都是屬于非阻塞I/O。

3.2 同步I/O 與 異步I/O

先來看看 同步I/O 和 異步I/O 的定義是什么，根據POSIX的定義：

• 同步I/O : A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
• 異步I/O : An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

兩者的區別就在于同步I/O做 "IO operation”的時候會將process阻塞。

那么按照這個定義，我們看看前面每個模型的“關鍵鑰匙”分析部分，可以明顯看到，BIO，NIO，IO多路復用、信號驅動IO 四種模型都屬于 同步IO。

因為它們在IO的第二階段，真正執行“數據拷貝”的階段，都是“阻塞”的。以NIO為例，在執行recvfrom這個系統調用的時候，如果kernel的數據沒有準備好，這時候不會block進程。但是當kernel中數據準備好的時候，recvfrom會將數據從kernel拷貝到用戶內存中，這個時候進程是被block了。

同理，信號驅動IO，當內核中IO數據就緒時以SIGIO信號通知請求進程，請求進程再把數據從內核讀入到用戶空間，這一步也是阻塞的。

所以，真正的異步I/O只有一個，就是AIO。當進程發起IO操作之后，就直接返回再也不管了，直到kernel發送一個信號，告訴進程說IO完成。在這整個過程中，進程完全沒有被阻塞。如定義所說，不會因為IO操作阻塞。

4. Netty采用了哪種I/O模型呢?

Netty 的 I/O 模型是基于非阻塞 I/O 實現的，底層依賴的是 JDK NIO 框架的多路復用器 Selector。

一個多路復用器 Selector 可以同時輪詢多個 Channel，采用 epoll 模式后，只需要一個線程負責 Selector 的輪詢，就可以接入成千上萬的客戶端。

更具體的實現方式和模型，我們下一期再展開說明。

對了，一定有同學想問，Netty為什么不采用AIO呢?

因為 AIO 的目的是希望 I/O 線程不阻塞主線程，屬于異步 I/O，由內核通知 I/O 操作何時完成。AIO 適用于連接數多的且需要長時間連接的場景。

對于AIO來說，目前操作系統支持程度有限且實現起來復雜。

Netty也嘗試過AIO，但是效果不是很理想，最終廢棄了。

參考書目：

《UNIX Network Programming(Volume1,3rd)》