基本概念弄清楚是学好 Netty的前提

前言

这里总结一些基本概念 IO多路复用技术： select、poll、epoll
和 基于事件驱动的Reactor模式概念。

IO网络模型

这里复习一下 ：
一共五种IO的模型：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO 和 异步IO
前面四种IO模型都是 同步IO

问题： 什么是同步异步 ？ 什么是阻塞非阻塞？
Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态（或者用户空间和内核）
IO操作分为两步：
1. 应用程序线程发起IO请求，调用系统函数，等待内核将数据准备
2. 实际的IO操作过程，将数据从内核拷贝到应用程序的进程中

回答 什么是同步异步 ？ 什么是阻塞非阻塞？的问题：
发起IO请求的线程是否可以去做别的事情？ 可以=非阻塞 不可以=阻塞
是否需要发起IO线程主动去取内核数据？ 是=同步 否=异步

IO多路复用技术

什么是IO多路复用？
简单来说：就是使用一个或者几个线程处理多个TCP连接，它最大优势是减少系统开销小，不必创建过多的进程/线程，也不必维护这些进程/线程。

借用网上不错博客图片：

IO多路复用技术 技术常见的实现有 select　poll epoll

文件描述符fd

在Linux系统中一切皆文件，一个 Linux 进程可以打开成百上千个文件，为了表示和区分已经打开的文件，Linux 会给每个文件分配一个编号（一个 ID），这个编号就是一个整数，被称为文件描述符（File Descriptor）

一个进程创建时候，Linux为每一个进程自动打开3个标准文件（ stdin、stdout、stderr），其文件描述符为0,1,2

所有的网络请求都用一个fd来标识，在windows中称为句柄（指针的指针）。

select

1. 监视文件3类描述符： writefds、readfds、和exceptfds
2. 调用后select函数会阻塞住，等有数据 可读、可写、出异常 或者 超时
3. select采用轮询方式扫描全部文件描述符
4. 每次调用 select()，需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历
5. 单个进程打开的fd有限制，默认是1024，可修改宏定义，但效率仍然慢

poll

select() 和 poll() 系统调用的大体一样，要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，并进行遍历。
最大区别是: poll没有最大文件描述符限制（使用链表的方式存储fd）

epoll

对比select和poll，epoll更加灵活，没有描述符限制，所支持的fd上限是操作系统的最大文件句柄数，1G内存大概支持10万个句柄。

使用事件通知方式处理fd，无需轮询所有fd，用户态拷贝到内核态只需要一次，通过epoll_ctl注册fd，一旦该fd就绪，内核就会采用callback的回调机制来激活对应的fd。

epoll调用了 Linux内核函数：

1. epoll_create() 在Linux内核里面申请一个文件系统 B+树，返回epoll对象，也是一个fd
2. epoll_ctl() 操作epoll对象，在这个对象里面修改添加删除对应的链接fd, 绑定一个callback函数， 一旦该fd就绪，内核就会采用callback的回调机制来激活对应的fd
3. epoll_wait() 判断并完成对应的IO操作

epoll 缺点就是编程模型比select/poll 复杂。

Reactor模式

Reactor模式（反应器设计模式），是一种基于事件驱动的设计模式，在事件驱动的应用中，将一个或多个客户的服务请求（demultiplex）和调度（dispatch）给应用程序。

Reactor模式基于事件驱动，适合处理海量的I/O事件，属于同步非阻塞IO(NIO)

BIO,NIO,AIO

1. BIO (Blocking I/O): 同步阻塞 I/O 模式，java1.4之前都是BIO
2. NIO (Non-blocking/New I/O): NIO 是⼀种同步⾮阻塞的 I/O 模型，Java1.4引入
3. AIO (Asynchronous I/O): AIO 也就是 NIO 2.0 （异步⾮阻塞的 IO 模型）, 在 Java 1.7 中引⼊。

Reactor分类

单线程Reactor模型

一个Acceptor线程作为NIO服务端和客户端，接收客户端的TCP连接，向服务端发起TCP连接，handle里面的IO/非IO操作都有此线程代理完成。
Handle：文件句柄（window）或称为文件描述符（Linux），内核监控的对象

多线程Reactor模型

一个Acceptor线程，一组NIO线程，一般是使用自带的线程池，包含一个任务队列和多个可用的线程。

此模型中，将Handler中的IO操作和非IO操作分开，
要IO操作的线程称为IO线程，
非IO操作（例如：decode compute encode）的线程称为工作线程。

IO操作阶段交给Acceptor线程来做，非IO操作阶段采用线程池来处理

主从Reactor模型

Acceptor不在是一个线程，而是一组NIO线程；IO线程也是一组NIO线程，这样就是两个线程池去处理接入连接和处理IO，是Netty推荐使用的线程模型

主Reactor 负责监听连接，将accept连接交给Sub Reactor处理，主Reactor用于响应连接请求。
从Reactor 处理accept连接，从Reactor用于处理IO操作请求。

为什么Netty使用NIO而不是AIO？

常见问题：为什么Netty使用NIO而不是AIO，是同步非阻塞还是异步非阻塞？

答案：
在Linux系统上，AIO的底层实现仍使用epoll，与nio相同，因此在性能上没有明显的优势。
Netty整体架构是reactor模型，采用epoll机制，所以往深的说，还是IO多路复用模式，所以也可说netty是同步非阻塞模型。

参考资料： https://github.com/netty/netty/issues/2515