# Java IO - Unix IO模型

## 1. 概念说明

在进行解释之前，首先要说明几个概念：

* 用户空间和内核空间
* 进程切换
* 进程的阻塞
* 文件描述符
* 缓存 I/O

### 1.1 用户空间与内核空间

现在操作系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操作系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，\*\*操心系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。\*\*针对linux操作系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

### 1.2 进程切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为**进程切换**。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

1. 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
4. 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
5. 更新内存管理的数据结构。
6. 恢复处理机上下文。

注：总而言之就是很耗资源，具体的可以参考这篇文章：[进程切换](http://guojing.me/linux-kernel-architecture/posts/process-switch/)

### 1.3 进程的阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，**进程的阻塞是进程自身的一种主动行为**，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。**当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的**。

### 1.4 文件描述符fd

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，**指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表**。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

### 1.5 缓存 I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O，大多数文件系统的默认 I/O 操作都是**缓存 I/O**。在 Linux 的缓存 I/O 机制中，操作系统会将 I/O 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，**数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。**

**缓存 I/O 的缺点：** 数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

## 2. Unix IO 模型简介

一个输入操作通常包括两个阶段:

* 等待数据准备好。
* 从内核向进程复制数据。

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及**等待数据从网络中到达**。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

Unix 下有五种 I/O 模型:

* 阻塞式 I/O
* 非阻塞式 I/O
* I/O 复用(select 和 poll)
* 信号驱动式 I/O(SIGIO)
* 异步 I/O(AIO)

### 2.1 阻塞式 I/O

应用进程被阻塞，直到数据复制到应用进程缓冲区中才返回。

应该注意到，在阻塞的过程中，其它程序还可以执行，因此阻塞不意味着整个操作系统都被阻塞。因为其他程序还可以执行，因此不消耗 CPU 时间，这种模型的执行效率会比较高。

下图中，recvfrom 用于接收 Socket 传来的数据，并复制到应用进程的缓冲区 buf 中。这里把 recvfrom() 当成系统调用。

```c
ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags, struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);
```

![2021-02-24-TcyLeE](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-TcyLeE.jpg)

或者网友提供的：

![2021-02-24-yvXrt3](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-yvXrt3.jpg)

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。

**所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。**

### 2.2 非阻塞式 I/O

应用进程执行系统调用之后，内核返回一个错误码。应用进程可以继续执行，但是需要不断的执行系统调用来获知 I/O 是否完成，这种方式称为轮询(polling)。

由于 CPU 要处理更多的系统调用，因此这种模型是比较低效的。

![2021-02-24-1UdX3b](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-1UdX3b.jpg)

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![2021-02-24-nhSrOV](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-nhSrOV.jpg)

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。

**所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。**

### 2.3 I/O 复用

使用 select 或者 poll 等待数据，并且可以等待多个套接字中的任何一个变为可读，这一过程会被阻塞，当某一个套接字可读时返回。之后再使用 recvfrom 把数据从内核复制到进程中。

它可以让单个进程具有处理多个 I/O 事件的能力。又被称为 Event Driven I/O，即事件驱动 I/O。

如果一个 Web 服务器没有 I/O 复用，那么每一个 Socket 连接都需要创建一个线程去处理。如果同时有几万个连接，那么就需要创建相同数量的线程。并且相比于多进程和多线程技术，I/O 复用不需要进程线程创建和切换的开销，系统开销更小。

![2021-02-24-zb2YFv](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-zb2YFv.jpg)

或者网友提供的：

![2021-02-24-bQrCZH](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-bQrCZH.jpg)

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

**所以，I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符，而这些文件描述符（套接字描述符）其中的任意一个进入读就绪状态，select()函数就可以返回。**

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，**用select的优势在于它可以同时处理多个connection。**

所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。**select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。**

在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

### 2.4 信号驱动 I/O

应用进程使用 sigaction 系统调用，内核立即返回，应用进程可以继续执行，也就是说等待数据阶段应用进程是非阻塞的。内核在数据到达时向应用进程发送 SIGIO 信号，应用进程收到之后在信号处理程序中调用 recvfrom 将数据从内核复制到应用进程中。

相比于非阻塞式 I/O 的轮询方式，信号驱动 I/O 的 CPU 利用率更高。

![2021-02-24-YlPb5T](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-YlPb5T.jpg)

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![2021-02-24-9sr6bI](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-9sr6bI.jpg)

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

### 2.5 异步 I/O

进行 aio\_read 系统调用会立即返回，应用进程继续执行，不会被阻塞，内核会在所有操作完成之后向应用进程发送信号。

异步 I/O 与信号驱动 I/O 的区别在于，异步 I/O 的信号是通知应用进程 I/O 完成，而信号驱动 I/O 的信号是通知应用进程可以开始 I/O。

![2021-02-24-Zn5Iyb](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-Zn5Iyb.jpg)

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![2021-02-24-Yq3quX](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-Yq3quX.jpg)

## 3. I/O 模型比较

### 3.1 同步 I/O 与异步 I/O

* 同步 I/O: 应用进程在调用 recvfrom 操作时会阻塞。
* 异步 I/O: 不会阻塞。

阻塞式 I/O、非阻塞式 I/O、I/O 复用和信号驱动 I/O 都是同步 I/O，虽然非阻塞式 I/O 和信号驱动 I/O 在等待数据阶段不会阻塞，但是在之后的将数据从内核复制到应用进程这个操作会阻塞。

### 3.2 五大 I/O 模型比较

前四种 I/O 模型的主要区别在于第一个阶段，而第二个阶段是一样的: 将数据从内核复制到应用进程过程中，应用进程会被阻塞。

![2021-02-24-upF1RG](https://image.ldbmcs.com/2021-02-24-upF1RG.jpg)

## 4. IO多路复用

> IO多路复用最为重要，后面的文章[Java NIO - IO多路复用详解](https://www.pdai.tech/md/java/io/java-io-nio-select-epoll.html)将对IO多路复用，Ractor模型以及Java NIO对其的支持作详解。

这里主要概要性的理解: IO多路复用工作模式和应用。

### 4.1 IO多路复用工作模式

epoll 的描述符事件有两种触发模式: LT(level trigger)和 ET(edge trigger)。

#### 4.1.1 LT 模式

当 epoll\_wait() 检测到描述符事件到达时，将此事件通知进程，进程可以不立即处理该事件，下次调用 epoll\_wait() 会再次通知进程。是默认的一种模式，并且同时支持 Blocking 和 No-Blocking。

#### 4.1.2 ET 模式

和 LT 模式不同的是，通知之后进程必须立即处理事件，下次再调用 epoll\_wait() 时不会再得到事件到达的通知。

很大程度上减少了 epoll 事件被重复触发的次数，因此效率要比 LT 模式高。只支持 No-Blocking，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

### 4.2 应用场景

很容易产生一种错觉认为只要用 epoll 就可以了，select 和 poll 都已经过时了，其实它们都有各自的使用场景。

#### 4.2.1 select 应用场景

select 的 timeout 参数精度为 1ns，而 poll 和 epoll 为 1ms，因此 select 更加适用于实时要求更高的场景，比如核反应堆的控制。

select 可移植性更好，几乎被所有主流平台所支持。

#### 4.2.2 poll 应用场景

poll 没有最大描述符数量的限制，如果平台支持并且对实时性要求不高，应该使用 poll 而不是 select。

需要同时监控小于 1000 个描述符，就没有必要使用 epoll，因为这个应用场景下并不能体现 epoll 的优势。

需要监控的描述符状态变化多，而且都是非常短暂的，也没有必要使用 epoll。因为 epoll 中的所有描述符都存储在内核中，造成每次需要对描述符的状态改变都需要通过 epoll\_ctl() 进行系统调用，频繁系统调用降低效率。并且epoll 的描述符存储在内核，不容易调试。

#### 4.2.3 epoll 应用场景

只需要运行在 Linux 平台上，并且有非常大量的描述符需要同时轮询，而且这些连接最好是长连接。

## 5. 参考资料

* Stevens W R, Fenner B, Rudoff A M. UNIX network programming\[M]. Addison-Wesley Professional, 2004.
* [Boost application performance using asynchronous I/O (opens new window)](https://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-async/)
* [Synchronous and Asynchronous I/O (opens new window)](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365683\(v=vs.85\).aspx)
* [Linux IO 模式及 select、poll、epoll 详解 (opens new window)](https://segmentfault.com/a/1190000003063859)
* [poll vs select vs event-based (opens new window)](https://daniel.haxx.se/docs/poll-vs-select.html)
* [select / poll / epoll: practical difference for system architects (opens new window)](http://www.ulduzsoft.com/2014/01/select-poll-epoll-practical-difference-for-system-architects/)
* [Browse the source code of userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/ online](https://code.woboq.org/userspace/glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/)
* [Java IO - Unix IO模型](https://www.pdai.tech/md/java/io/java-io-model.html)
