Netty - 必看基础：网络 I/O 模型

在套接字接口抽象下，网络 I/O 的出入口就是 Socket 的读和写，Socket 在操作系统接口中被抽象为数据流，网络 I/O 可以理解为对流的操作。每一次网络访问，从远程主机返回的数据会先存放到操作系统内核的缓冲区中，然后内核的缓冲区复制到应用程序的地址空间，所以当发生一次网络请求发生后，将会按顺序经历“等待数据从远程主机到达缓冲区”和“将数据从缓冲区拷贝到应用程序地址空间”两个阶段，根据实现这两个阶段的不同方法，人们把网络 I/O 模型总结为两类、五种模型：两类是指同步 I/O与异步 I/O，五种是指在同步 IO 中又分有划分出阻塞 I/O、非阻塞 I/O、多路复用 I/O和信号驱动 I/O四种细分模型。这里笔者先解释一下同步和异步、阻塞和非阻塞的概念。同步是指调用端发出请求之后，得到结果之前必须一直等待，与之相对的就是异步，发出调用请求之后将立即返回，不会马上得到处理结果，结果将通过状态变化和回调来通知调用者。阻塞和非阻塞是针对请求处理过程，指收到调用请求之后，返回结果之前，当前处理线程是否会被挂起。这种概念上的叙述估计还是不太好理解的，笔者以“你如何领到盒饭”为情景，将之类比解释如下：

• 异步 I/O（Asynchronous I/O）：好比你在美团外卖订了个盒饭，付款之后你自己该干嘛还干嘛去，饭做好了骑手自然会到门口打电话通知你。异步 I/O 中数据到达缓冲区后，不需要由调用进程主动进行从缓冲区复制数据的操作，而是复制完成后由操作系统向线程发送信号，所以它一定是非阻塞的。
• 同步 I/O（Synchronous I/O）：好比你自己去饭堂打饭，这时可能有如下情形发生：
  • 阻塞 I/O（Blocking I/O）：你去到饭堂，发现饭还没做好，你也干不了别的，只能打个瞌睡（线程休眠），直到饭做好，这就是被阻塞了。阻塞 I/O 是最直观的 I/O 模型，逻辑清晰，也比较节省 CPU 资源，但缺点就是线程休眠所带来的上下文切换，这是一种需要切换到内核态的重负载操作，不应当频繁进行。
  • 非阻塞 I/O（Non-Blocking I/O）：你去到饭堂，发现饭还没做好，你就回去了，然后每隔 3 分钟来一次饭堂看饭做好了没，直到饭做好。非阻塞 I/O 能够避免线程休眠，对于一些很快就能返回结果的请求，非阻塞 I/O 可以节省切换上下文切换的消耗，但是对于较长时间才能返回的请求，非阻塞 I/O 反而白白浪费了 CPU 资源，所以目前并不常用。
  • 多路复用 I/O（Multiplexing I/O）：多路复用 I/O 本质上是阻塞 I/O 的一种，但是它的好处是可以在同一条阻塞线程上处理多个不同端口的监听。类比的情景是你名字叫雷锋，代表整个宿舍去饭堂打饭，去到饭堂，发现饭还没做好，还是继续打瞌睡，但哪个舍友的饭好了，你就马上把那份饭送回去，然后继续打着瞌睡哼着歌等待其他的饭做好。多路复用 I/O 是目前的高并发网络应用的主流，它下面还可以细分 select、epoll、kqueue 等不同实现，这里就不作展开了。
  • 信号驱动 I/O（Signal-Driven I/O）：你去到饭堂，发现饭还没做好，但你跟厨师熟，跟他说饭做好了叫你，然后回去该干嘛干嘛，等收到厨师通知后，你把饭从饭堂拿回宿舍。这里厨师的通知就是那个“信号”，信号驱动 I/O 与异步 I/O 的区别是“从缓冲区获取数据”这个步骤的处理，前者收到的通知是可以开始进行复制操作了，即要你自己从饭堂拿回宿舍，在复制完成之前线程处于阻塞状态，所以它仍属于同步 I/O 操作，而后者收到的通知是复制操作已经完成，即外卖小哥已经把饭送到了。

显而易见，异步 I/O 模型是最方便的，毕竟能叫外卖谁愿意跑饭堂啊，但前提是你学校里有开展外卖业务。同样，异步 I/O 受限于操作系统，Windows NT 内核早在 3.5 以后，就通过IOCP实现了真正的异步 I/O 模型。而 Linux 系统下，是在 Linux Kernel 2.6 才首次引入，目前也还并不算很完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时仍是以多路复用 I/O 模型模式为主。