从操作系统层面分析Java IO演进之路-java io操作

前言

本文从操作系统实际调用角度(以CentOS Linux release 7.5操作系统为示例)，力求追根溯源看IO的每一步操作到底发生了什么。

关于如何查看系统调用，Linux可以使用 strace 来查看任何软件的系统调动(这是个很好的分析学习方法)：strace -ff -o ./out java TestJava

一 BIO

/** 
  * Alipay.com Inc. Copyright (c) 2004-2020 All Rights Reserved. 
  */ 
 package io;  
  
 import java.io.*; 
 import java.net.ServerSocket; 
 import java.net.Socket; 
  
 /** 
  * @author xiangyong.ding 
  * @version $Id: TestSocket.java, v 0.1 2020年08月02日 20:56 xiangyong.ding Exp $ 
  */ 
 public class BIOSocket { 
     public static void main(String[] args) throws IOException { 
         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8090); 
         System.out.println("step1: new ServerSocket "); 
         while (true) { 
             Socket client = serverSocket.accept(); 
             System.out.println("step2: client\t" + client.getPort()); 
             new Thread(() -> { 
                 try { 
                     InputStream in = client.getInputStream(); 
                     BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in)); 
                     while (true) { 
                         System.out.println(reader.readLine()); 
                     } 
                 } catch (IOException e) { 
                     e.printStackTrace(); 
                 } 
             }).start(); 
         } 
     } 
 }

1 发生的系统调用

启动时

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 5 
 bind(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 
 listen(5, 50)                           = 0 
 poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1) = 1 ([{fd=5, revents=POLLIN}])

poll函数会阻塞直到其中任何一个fd发生事件。

有客户端连接后

accept(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(10253), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 6 
 clone(child_stack=0x7f013e5c4fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f013e5c59d0,         tls=0x7f013e5c5700, child_tidptr=0x7f013e5c59d0) = 13168 
 poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1

抛出线程(即我们代码里的 new Thread() )后，继续poll阻塞等待连接。

clone出来的线程

recvfrom(6, "hello,bio\n", 8192, 0, NULL, NULL) =

关于对recvfrom函数的说明，其中第四个参数0 表示这是一个阻塞调用。

客户端发送数据后

recvfrom(6, "hello,bio\n", 8192, 0, NULL, NULL) = 10

2 优缺点

优点

代码简单，逻辑清晰。

缺点

由于stream的read操作是阻塞读，面对多个连接时每个连接需要每线程。无法处理大量连接(C10K问题)。
误区：可见JDK1.8中对于最初的BIO，在Linux OS下仍然使用的poll，poll本身也是相对比较高效的多路复用函数(支持非阻塞、多个socket同时检查event)，只是限于JDK最初的stream API限制，无法支持非阻塞读取。

二 NIO(non block)

改进：使用NIO API，将阻塞变为非阻塞，不需要大量线程。

/** 
  * Alipay.com Inc. Copyright (c) 2004-2020 All Rights Reserved. 
  */ 
 package io; 
  
 import java.io.IOException; 
 import java.net.InetSocketAddress; 
 import java.nio.ByteBuffer; 
 import java.nio.channels.ServerSocketChannel; 
 import java.nio.channels.SocketChannel; 
 import java.util.LinkedList; 
  
 /** 
  * @author xiangyong.ding 
  * @version $Id: NioSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 11:25 xiangyong.ding Exp $ 
  */ 
 public class NIOSocket { 
     private static LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>(); 
  
     private static void startClientChannelHandleThread(){ 
         new Thread(() -> { 
             while (true){ 
                 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096); 
  
                 //处理客户端连接 
                 for (SocketChannel c : clients) { 
                     // 非阻塞, >0 表示读取到的字节数量, 0或-1表示未读取到或读取异常 
                     int num = 0; 
                     try { 
                         num = c.read(buffer); 
                     } catch (IOException e) { 
                         e.printStackTrace(); 
                     } 
  
                     if (num > 0) { 
                         buffer.flip(); 
                         byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()]; 
                         //从缓冲区 读取到内存中 
                         buffer.get(clientBytes); 
  
                         System.out.println(c.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes)); 
  
                         //清空缓冲区 
                         buffer.clear(); 
                     } 
                 } 
             } 
         }).start(); 
     } 
  
     public static void main(String[] args) throws IOException { 
         //new socket,开启监听 
         ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open(); 
         socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); 
         //设置阻塞接受客户端连接 
         socketChannel.configureBlocking(true); 
  
         //开始client处理线程 
         startClientChannelHandleThread(); 
  
         while (true) { 
             //接受客户端连接; 非阻塞，无客户端返回null(操作系统返回-1) 
             SocketChannel client = socketChannel.accept(); 
  
             if (client == null) { 
                 //System.out.println("no client"); 
             } else { 
                 //设置读非阻塞 
                 client.configureBlocking(false); 
  
                 int port = client.socket().getPort(); 
                 System.out.println("client port :" + port); 
  
                 clients.add(client); 
             } 
         } 
     } 
 }

1 发生的系统调用

主线程

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4 
 bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 
 listen(4, 50)                           = 0 
 fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0 
 accept(4, 0x7fe26414e680, 0x7fe26c376710) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)

有连接后，子线程

read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) 
 read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) 
 ...

资源使用情况：

2 优缺点

优点

线程数大大减少。

缺点

需要程序自己扫描每个连接read，需要 O(n)时间复杂度系统调用 (此时可能只有一个连接发送了数据)，高频系统调用(导致CPU 用户态内核态切换)高。导致CPU消耗很高。

三多路复用器(select、poll、epoll)

改进：不需要用户扫描所有连接，由kernel 给出哪些连接有数据，然后应用从有数据的连接读取数据。

1 epoll

import java.net.InetSocketAddress; 
 import java.nio.ByteBuffer; 
 import java.nio.channels.SelectionKey; 
 import java.nio.channels.Selector; 
 import java.nio.channels.ServerSocketChannel; 
 import java.nio.channels.SocketChannel; 
 import java.util.Iterator; 
 import java.util.LinkedList; 
 import java.util.Set; 
  
 /** 
  * 多路复用socket 
  * 
  * @author xiangyong.ding 
  * @version $Id: MultiplexingSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 12:19 xiangyong.ding Exp $ 
  */ 
 public class MultiplexingSocket { 
  
     static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096); 
  
     public static void main(String[] args) throws Exception { 
  
         LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>(); 
  
         //1.启动server 
         //new socket,开启监听 
         ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open(); 
         socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); 
         //设置非阻塞，接受客户端 
         socketChannel.configureBlocking(false); 
  
         //多路复用器（JDK包装的代理，select /poll/epoll/kqueue） 
         Selector selector = Selector.open(); //java自动代理，默认为epoll 
         //Selector selector = PollSelectorProvider.provider().openSelector();//指定为poll 
  
         //将服务端socket 注册到 多路复用器 
         socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
  
         //2. 轮训多路复用器 
         // 先询问有没有连接,如果有则返回数量以及对应的对象(fd) 
         while (selector.select() > 0) { 
             System.out.println(); 
             Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); 
             Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator(); 
  
             while (iter.hasNext()) { 
                 SelectionKey key = iter.next(); 
                 iter.remove(); 
  
                 //2.1 处理新的连接 
                 if (key.isAcceptable()) { 
                     //接受客户端连接; 非阻塞，无客户端返回null(操作系统返回-1) 
                     SocketChannel client = socketChannel.accept(); 
                     //设置读非阻塞 
                     client.configureBlocking(false); 
  
                     //同样，把client也注册到selector 
                     client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); 
                     System.out.println("new client : " + client.getRemoteAddress()); 
                 } 
                 //2.2 处理读取数据 
                 else if (key.isReadable()) { 
                     readDataFromSocket(key); 
                 } 
             } 
         } 
     } 
  
     protected static void readDataFromSocket(SelectionKey key) throws Exception { 
         SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); 
         // 非阻塞, >0 表示读取到的字节数量, 0或-1表示未读取到或读取异常 
         // 请注意：这个例子降低复杂度，不考虑报文大于buffer size的情况 
         int num = socketChannel.read(buffer); 
  
         if (num > 0) { 
             buffer.flip(); 
             byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()]; 
             //从缓冲区 读取到内存中 
             buffer.get(clientBytes); 
  
             System.out.println(socketChannel.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes)); 
  
             //清空缓冲区 
             buffer.clear(); 
         } 
     } 
 }

2 发生的系统调用

启动

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4 
 bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 
 listen(4, 50) 
 fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0 
 epoll_create(256)                       = 7 
 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=4324783852322029573}}) = 0 
 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 4, {EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}) = 0 
 epoll_wait(7

关于对epoll_create(对应着Java的 Selector selector = Selector.open()) 的说明，本质上是在内存的操作系统保留区，创建一个epoll数据结构。用于后面当有client连接时，向该epoll区中添加监听。

有连接

epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}], 8192, -1) = 1 
 accept(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(29597), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 8 
 fcntl(8, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0 
 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}) = 0

关于epoll_ctl (对应着Java的 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ) )。其中 EPOLLIN 恰好对应着Java的 SelectionKey.OP_READ 即监听数据到达读取事件。

客户端发送数据

epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}], 8192, -1) = 1 
 read(8, "hello,multiplex\n", 4096)      = 16 
 epoll_wait(7,

note：epoll_wait第四个参数-1表示block。

poll 和 epoll 对比

根据“1.BIO”中的poll函数调用和epoll函数对比如下：

poll和epoll本质上都是同步IO，区别于BIO的是多路复用充分降低了 system call，而epoll更进一步，再次降低了system call的时间复杂度。

3 优缺点

优点

线程数同样很少，甚至可以把acceptor线程和worker线程使用同一个。
时间复杂度低，Java实现的Selector(在Linux OS下使用的epoll函数)支持多个clientChannel事件的一次性获取，且时间复杂度维持在O(1)。
CPU使用低：得益于Selector，我们不用向 “2.NIO”中需要自己一个个ClientChannel手动去检查事件，因此使得CPU使用率大大降低。

缺点

数据处理麻烦：目前socketChannel.read 读取数据完全是基于字节的，当我们需要需要作为HTTP服务网关时，对于HTTP协议的处理完全需要自己解析，这是个庞大、烦杂、容易出错的工作。
性能

现有socket数据的读取(socketChannel.read(buffer))全部通过一个buffer 缓冲区来接受，一旦连接多起来，这无疑是一个单线程读取，性能无疑是个问题。
那么此时buffer我们每次读取都重新new出来呢?如果每次都new出来，这样的内存碎片对于GC无疑是一场灾难。如何平衡地协调好buffer的共享，既保证性能，又保证线程安全，这是个难题。

四 Netty

1 研究的目标源码(netty提供的入门example)

TelnetServer

package telnet; 
  
 import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap; 
 import io.netty.channel.EventLoopGroup; 
 import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup; 
 import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel; 
 import io.netty.handler.logging.LogLevel; 
 import io.netty.handler.logging.LoggingHandler; 
 import io.netty.handler.ssl.SslContext; 
 import io.netty.handler.ssl.SslContextBuilder; 
 import io.netty.handler.ssl.util.SelfSignedCertificate; 
  
 /** 
  * Simplistic telnet server. 
  */ 
 public final class TelnetServer { 
  
     static final boolean SSL = System.getProperty("ssl") != null; 
     static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", SSL? "8992" : "8023")); 
  
     public static void main(String[] args) throws Exception { 
         // Configure SSL. 
         final SslContext sslCtx; 
         if (SSL) { 
             SelfSignedCertificate ssc = new SelfSignedCertificate(); 
             sslCtx = SslContextBuilder.forServer(ssc.certificate(), ssc.privateKey()).build(); 
         } else { 
             sslCtx = null; 
         } 
  
         EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); 
         EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); 
         try { 
             ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); 
             b.group(bossGroup, workerGroup) 
              .channel(NioServerSocketChannel.class) 
              .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)) 
              .childHandler(new TelnetServerInitializer(sslCtx)); 
  
             b.bind(PORT).sync().channel().closeFuture().sync(); 
         } finally { 
             bossGroup.shutdownGracefully(); 
             workerGroup.shutdownGracefully(); 
         } 
     } 
 }

TelnetServerHandler

package telnet; 
  
 import io.netty.channel.ChannelFuture; 
 import io.netty.channel.ChannelFutureListener; 
 import io.netty.channel.ChannelHandler.Sharable; 
 import io.netty.channel.ChannelHandlerContext; 
 import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler; 
  
 import java.net.InetAddress; 
 import java.util.Date; 
  
 /** 
  * Handles a server-side channel. 
  */ 
 @Sharable 
 public class TelnetServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> { 
  
     @Override 
     public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { 
         // Send greeting for a new connection. 
         ctx.write("Welcome to " + InetAddress.getLocalHost().getHostName() + "!\r\n"); 
         ctx.write("It is " + new Date() + " now.\r\n"); 
         ctx.flush(); 
     } 
  
     @Override 
     public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String request) throws Exception { 
         // Generate and write a response. 
         String response; 
         boolean close = false; 
         if (request.isEmpty()) { 
             response = "Please type something.\r\n"; 
         } else if ("bye".equals(request.toLowerCase())) { 
             response = "Have a good day!\r\n"; 
             close = true; 
         } else { 
             response = "Did you say '" + request + "'?\r\n"; 
         } 
  
         // We do not need to write a ChannelBuffer here. 
         // We know the encoder inserted at TelnetPipelineFactory will do the conversion. 
         ChannelFuture future = ctx.write(response); 
  
         // Close the connection after sending 'Have a good day!' 
         // if the client has sent 'bye'. 
         if (close) { 
             future.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE); 
         } 
     } 
  
     @Override 
     public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) { 
         ctx.flush(); 
     } 
  
     @Override 
     public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { 
         cause.printStackTrace(); 
         ctx.close(); 
     } 
 }

TelnetServerInitializer

package telnet; 
  
 import io.netty.channel.ChannelInitializer; 
 import io.netty.channel.ChannelPipeline; 
 import io.netty.channel.socket.SocketChannel; 
 import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder; 
 import io.netty.handler.codec.Delimiters; 
 import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder; 
 import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder; 
 import io.netty.handler.ssl.SslContext; 
  
 /** 
  * Creates a newly configured {@link ChannelPipeline} for a new channel. 
  */ 
 public class TelnetServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> { 
  
     private static final StringDecoder DECODER = new StringDecoder(); 
     private static final StringEncoder ENCODER = new StringEncoder(); 
  
     private static final TelnetServerHandler SERVER_HANDLER = new TelnetServerHandler(); 
  
     private final SslContext sslCtx; 
  
     public TelnetServerInitializer(SslContext sslCtx) { 
         this.sslCtx = sslCtx; 
     } 
  
     @Override 
     public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
         ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline(); 
  
         if (sslCtx != null) { 
             pipeline.addLast(sslCtx.newHandler(ch.alloc())); 
         } 
  
         // Add the text line codec combination first, 
         pipeline.addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(8192, Delimiters.lineDelimiter())); 
         // the encoder and decoder are static as these are sharable 
         pipeline.addLast(DECODER); 
         pipeline.addLast(ENCODER); 
  
         // and then business logic. 
         pipeline.addLast(SERVER_HANDLER); 
     } 
 }

2 启动后的系统调用

主线程(23109)

## 256无实际作用，这里只为了兼容旧版kernel api 
 epoll_create(256)                       = 7epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=5477705356928876549}}) = 0 
  
 epoll_create(256)                       = 10epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=17041805914081853448}}) = 0 
  
 epoll_create(256)                       = 13 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 11, {EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}) = 0 
  
 epoll_create(256)                       = 16 
 epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 14, {EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}) = 0 
  
 epoll_create(256)                       = 19 
 epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 17, {EPOLLIN, {u32=17, u64=17042561450368827409}}) = 0 
  
 epoll_create(256)                       = 10 
 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 20 
 clone(child_stack=0x7fc3c509afb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c509b9d0, tls=0x7fc3c509b700, child_tidptr=0x7fc3c509b9d0) = 23130

概括为：

向OS新建socket，并开启clone boss线程23130。
为BOSS创建了一个epoll(论证参见下面“boss”)，每个worker创建一个epoll数据结构(本质上是在kernel内存区创建了一个数据结构，用于后续监听)。
创建boss线程监听的socket(本质上在kernel中创建一个数据结构)。

boss(23130)

bind(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 
 listen(20, 128)                         = 0 
 getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0 
 getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0  
  
 ##将fd为7号epoll和fd为20号的socket绑定，事件：epoll_ctl_add和epoll_ctl_mod 
 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=14198059139132817428}}) = 0 
 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_MOD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=20}}) = 0 
 epoll_wait(7, [{EPOLLIN, {u32=5, u64=17295150779149058053}}], 8192, 1000) = 1 
 epoll_wait(7, [], 8192, 1000)           = 0(不断轮训，1S超时一次)

概括为：

将上一步中main线程创建的fd：20绑定端口8023，并开启监听(网卡负责监听和接受连接和数据，kernel则负责路由到具体进程，具体参见：关于socket和bind和listen，TODO )。
将7号socket对应的fd绑定到20号对应的epoll数据结构上去(都是操作kernel中的内存)。
开始1S中一次阻塞等待epoll有任何连接或数据到达。

3 客户端连接

boss (23130)

accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(11144), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24 
 getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0 
 getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0 
 setsockopt(24, SOL_TCP, TCP_NODELAY, [1], 4) = 0 
 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0 
 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0 
 ##抛出 work线程 
 clone(child_stack=0x7fc3c4c98fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c4c999d0, tls=0x7fc3c4c99700, child_tidptr=0x7fc3c4c999d0) = 2301

worker (2301)

writev(24, [{"Welcome to iZbp14e1g9ztpshfrla9m"..., 37}, {"It is Sun Aug 23 15:44:14 CST 20"..., 41}], 2) = 78 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=14180008216221450264}}) = 0 
 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1  
 read(11, "\1", 128)                     = 1 
 ##开始无限loop 
 epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0 
 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}], 8192, 1000) = 1

概括：

当BOSS轮训epoll_wait等到了连接后，首先accept得到该socket对应的fd。
连接建立后 BOSS立马抛出一个线程(clone函数)。
worker(即新建的线程)写入了一段数据(这里是业务逻辑)。
worker将该client对应的fd绑定到了13号epoll上。
worker继续轮训监听13号epoll。

4 客户端主动发送数据

worker(2301)

read(24, "i am daojian\r\n", 1024)      = 14 
 write(24, "Did you say 'i am daojian'?\r\n", 29) = 29 
 ##继续无限loop 
 epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

概括为：

wait到数据后，立即read到用户控件内存中(读取1024个字节到用户控件某个buff中)。
写入数据(业务逻辑，不必太关注)。
继续轮训等待13号epoll。

5 客户端发送bye报文，服务器断开TCP连接

worker(2301)

read(24, "bye\r\n", 1024)               = 5 
 write(24, "Have a good day!\r\n", 18)   = 18 
 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_LINGER, {onoff=0, linger=0}, [8]) = 0 
 dup2(25, 24)                            = 24 
 ##从epoll数据结构中（OS）中删除fd为24的socket 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_DEL, 24, 0x7f702dd531e0) = -1 ENOENT 
 ##关闭24 socket 
 close(24)                               = 0 
 ##继续等待13 epoll数据 
 epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

断开客户端连接概括为：

从epoll中删除该客户端对应的fd(这里触发源头没找到，可能是boss)。
close关闭客户端24号fd。
继续轮训epoll。

6 五个客户端同时连接

boss线程(23130)

accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(1846), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24 
 clone(child_stack=0x7f702cc51fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cc529d0, tls=0x7f702cc52700, child_tidptr=0x7f702cc529d0) = 10035 
  
 accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(42067), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 26 
 clone(child_stack=0x7f702cb50fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cb519d0, tls=0x7f702cb51700, child_tidptr=0x7f702cb519d0) = 10067 
  
 ...

woker线程(10035，第一个连接)

epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=3226004877247250456}}) = 0 
 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1                  = 1 
 epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

worker线程(10067，第二个连接)

epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=26}}) = 0 
 epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_MOD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=3221483685433835546}}) = 0 
 epoll_wait(16, [{EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}], 8192, 1000) = 1 
 epoll_wait(16, [], 8192, 1000)          = 0 
 epoll_wait(16, [], 8192, 1000)          = 0

worker线程(10067，第二个连接)

epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=27}}) = 0 
 epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_MOD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=3216966479350071323}}) = 0

worker线程(8055，第四个连接)

epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=28}}) = 0 
 epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_MOD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=3302604828697427996}}) = 0

worker线程(10035，第五个连接，不在clone线程，而是复用了第一个epoll对应的worker)

epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0 
 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0

概括为：

epoll和boss、worker之间的关系：一共有4个worker对应着4个epoll对象，boss和每个worker都有对应自己的epoll。
boss根据epoll数量，平衡分配连接到每个worker对应的epoll中。

7 总结

下图通过对系统调用的调查得出 netty 和 kernel 交互图：

初始化直接创建5个epoll，其中7号为boss使用，专门用于处理和客户端连接;其余4个用来给worker使用，用户处理和客户端的数据交互。

work的线程数量，取决于初始化时创建了几个epoll，worker的复用本质上是epoll的复用。

work之间为什么要独立使用epoll?为什么不共享?

为了避免各个worker之间发生争抢连接处理，netty直接做了物理隔离，避免竞争。各个worker只负责处理自己管理的连接，并且后续该worker中的每个client的读写操作完全由该线程单独处理，天然避免了资源竞争，避免了锁。
worker单线程，性能考虑：worker不仅仅要epoll_wait，还是处理read、write逻辑，加入worker处理了过多的连接，势必造成这部分消耗时间片过多，来不及处理更多连接，性能下降。

8 优缺点

优点

数据处理：netty提供了大量成熟的数据处理组件(ENCODER、DECODER)，HTTP、POP3拿来即用。
编码复杂度、可维护性：netty充分使得业务逻辑与网络处理解耦，只需要少量的BootStrap配置即可，更多的集中在业务逻辑处理上。
性能：netty提供了的ByteBuf(底层Java原生的ByteBuffer)，提供了池化的ByteBuf，兼顾读取性能和ByteBuf内存分配(在后续文档中会再做详解)。

缺点

入门有一定难度。

五 AIO

1 启动

main线程

epoll_create(256)                       = 5 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 6, {EPOLLIN, {u32=6, u64=11590018039084482566}}) = 0 
  
 ##创建BOSS 线程(Proactor) 
 clone(child_stack=0x7f340ac06fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f340ac079d0, tls=0x7f340ac07700, child_tidptr=0x7f340ac079d0) = 22704 
  
 socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 8 
 setsockopt(8, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0 
 setsockopt(8, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0 
 bind(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9090), inet_pton(AF_INET6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, 28) = 0 
 listen(8, 50) 
  
 accept(8, 0x7f67d01b3120, 0x7f67d9246690) = -1 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = -1 ENOENT (No such file or directory) 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = 0 
 read(0,

22704(BOSS 线程(Proactor))

epoll_wait(5,  <unfinished ...>

2 请求连接

22704(BOSS 线程(Proactor))处理连接

epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1 
 accept(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(55320), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:36.24.32.140", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, [28]) = 9 
 clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26241 
 epoll_wait(5,  <unfinished ...>

26241

#将client 连接的FD加入到BOSS的epoll中，以便BOSS线程监听网络事件 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = -1 ENOENT (No such file or directory) 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = 0 
 accept(8, 0x7ff3440008c0, 0x7ff35c99f4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 0

3 客户端发送数据

22704(BOSS 线程(Proactor))处理连接

epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1 
 ##数据读出 
 read(9, "daojian111\r\n", 1024)         = 12 
 ##数据处理交给其他线程，这里由于线程池为空，需要先clone线程 
 clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26532

复制线程处理，线程号26532

write(1, "pool-1-thread-2-10received : dao"..., 41) = 41 
 write(1, "\n", 1) 
 accept(8, 0x7f11c400b5f0, 0x7f11f42fd4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) 
 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 0

4 总结

从系统调用角度，Java的AIO事实上是以多路复用(Linux上为epoll)等同步IO为基础，自行实现了异步事件分发。
BOSS Thread负责处理连接，并分发事件。
WORKER Thread只负责从BOSS接收的事件执行，不负责任何网络事件监听。

5 优缺点

优点

相比于前面的BIO、NIO，AIO已经封装好了任务调度，使用时只需关心任务处理。

缺点

事件处理完全由Thread Pool完成，对于同一个channel的多个事件可能会出现并发问题。
相比netty，buffer API不友好容易出错;编解码工作复杂。

从操作系统层面分析Java IO演进之路

​

前言

一 BIO

1 发生的系统调用

2 优缺点

二 NIO(non block)

1 发生的系统调用

2 优缺点

三 多路复用器(select、poll、epoll)

1 epoll

2 发生的系统调用

3 优缺点

四 Netty

1 研究的目标源码(netty提供的入门example)

2 启动后的系统调用

3 客户端连接

4 客户端主动发送数据

5 客户端发送bye报文，服务器断开TCP连接

6 五个客户端同时连接

7 总结

8 优缺点

五 AIO

1 启动

2 请求连接

3 客户端发送数据

4 总结

5 优缺点

三多路复用器(select、poll、epoll)