一文帶你讀懂JavaIO復(fù)用-創(chuàng)新互聯(lián)

本篇文章為大家展示了一文帶你讀懂Java IO復(fù)用，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要并且容易理解，絕對(duì)能使你眼前一亮，通過(guò)這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

創(chuàng)新互聯(lián)建站自2013年起，先為鎮(zhèn)寧等服務(wù)建站，鎮(zhèn)寧等地企業(yè)，進(jìn)行企業(yè)商務(wù)咨詢服務(wù)。為鎮(zhèn)寧企業(yè)網(wǎng)站制作PC+手機(jī)+微官網(wǎng)三網(wǎng)同步一站式服務(wù)解決您的所有建站問(wèn)題。

對(duì)于服務(wù)器的并發(fā)處理能力，我們需要的是：每一毫秒服務(wù)器都能及時(shí)處理這一毫秒內(nèi)收到的數(shù)百個(gè)不同TCP連接上的報(bào)文，與此同時(shí)，可能服務(wù)器上還有數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的最近幾秒沒有收發(fā)任何報(bào)文的相對(duì)不活躍連接。同時(shí)處理多個(gè)并行發(fā)生事件的連接，簡(jiǎn)稱為并發(fā)；同時(shí)處理萬(wàn)計(jì)、十萬(wàn)計(jì)的連接，則是高并發(fā)。服務(wù)器的并發(fā)編程所追求的就是處理的并發(fā)連接數(shù)目無(wú)限大，同時(shí)維持著高效率使用CPU等資源，直至物理資源首先耗盡。

并發(fā)編程有很多種實(shí)現(xiàn)模型，最簡(jiǎn)單的就是與“線程”捆綁，1個(gè)線程處理1個(gè)連接的全部生命周期。優(yōu)點(diǎn)：這個(gè)模型足夠簡(jiǎn)單，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，同時(shí)，線程個(gè)數(shù)是可以遠(yuǎn)大于CPU個(gè)數(shù)的。然而，線程個(gè)數(shù)又不是可以無(wú)限增大的，為什么呢？因?yàn)榫€程什么時(shí)候執(zhí)行是由操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度算法決定的，調(diào)度算法并不會(huì)考慮某個(gè)線程可能只是為了一個(gè)連接服務(wù)的，它會(huì)做大一統(tǒng)的玩法：時(shí)間片到了就執(zhí)行一下，哪怕這個(gè)線程一執(zhí)行就會(huì)不得不繼續(xù)睡眠。這樣來(lái)回的喚醒、睡眠線程在次數(shù)不多的情況下，是廉價(jià)的，但如果操作系統(tǒng)的線程總數(shù)很多時(shí)，它就是昂貴的（被放大了），因?yàn)檫@種技術(shù)性的調(diào)度損耗會(huì)影響到線程上執(zhí)行的業(yè)務(wù)代碼的時(shí)間。舉個(gè)例子，這時(shí)大部分擁有不活躍連接的線程就像我們的國(guó)企，它們執(zhí)行效率太低了，它總是喚醒就睡眠在做無(wú)用功，而它喚醒爭(zhēng)到CPU資源的同時(shí)，就意味著處理活躍連接的民企線程減少獲得了CPU的機(jī)會(huì)，CPU是核心競(jìng)爭(zhēng)力，它的無(wú)效率進(jìn)而影響了GDP總吞吐量。我們所追求的是并發(fā)處理數(shù)十萬(wàn)連接，當(dāng)幾千個(gè)線程出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)的執(zhí)行效率就已經(jīng)無(wú)法滿足高并發(fā)了。

對(duì)高并發(fā)編程，目前只有一種模型，也是本質(zhì)上唯一有效的玩法。連接上的消息處理，可以分為兩個(gè)階段：等待消息準(zhǔn)備好、消息處理。當(dāng)使用默認(rèn)的阻塞套接字時(shí)（例如上面提到的1個(gè)線程捆綁處理1個(gè)連接），往往是把這兩個(gè)階段合而為一，這樣操作套接字的代碼所在的線程就得睡眠來(lái)等待消息準(zhǔn)備好，這導(dǎo)致了高并發(fā)下線程會(huì)頻繁的睡眠、喚醒，從而影響了CPU的使用效率。

高并發(fā)編程方法當(dāng)然就是把兩個(gè)階段分開處理。即，等待消息準(zhǔn)備好的代碼段，與處理消息的代碼段是分離的。當(dāng)然，這也要求套接字必須是非阻塞的，否則，處理消息的代碼段很容易導(dǎo)致條件不滿足時(shí)，所在線程又進(jìn)入了睡眠等待階段。那么問(wèn)題來(lái)了，等待消息準(zhǔn)備好這個(gè)階段怎么實(shí)現(xiàn)？它畢竟還是等待，這意味著線程還是要睡眠的！解決辦法就是，主動(dòng)查詢，或者讓1個(gè)線程為所有連接而等待！這就是IO多路復(fù)用了。多路復(fù)用就是處理等待消息準(zhǔn)備好這件事的，但它可以同時(shí)處理多個(gè)連接！它也可以“等待”，所以它也可能導(dǎo)致線程睡眠，然而這不要緊，因?yàn)樗粚?duì)多、它可以監(jiān)控所有連接。這樣，當(dāng)我們的線程被喚醒執(zhí)行時(shí)，就一定是有一些連接準(zhǔn)備好被我們的代碼執(zhí)行了，這是有效率的！沒有那么多個(gè)線程都在爭(zhēng)搶處理“等待消息準(zhǔn)備好”階段，整個(gè)世界終于清凈了！
多路復(fù)用有很多種實(shí)現(xiàn)，在linux上，2.4內(nèi)核前主要是select和poll，現(xiàn)在主流是epoll，它們的使用方法似乎很不同，但本質(zhì)是一樣的。

效率卻也不同，這也是epoll完全替代了select的原因。

簡(jiǎn)單的談下epoll為何會(huì)替代select。

前面提到過(guò)，高并發(fā)的核心解決方案是1個(gè)線程處理所有連接的“等待消息準(zhǔn)備好”，這一點(diǎn)上epoll和select是無(wú)爭(zhēng)議的。但select預(yù)估錯(cuò)誤了一件事，就像我們開篇所說(shuō)，當(dāng)數(shù)十萬(wàn)并發(fā)連接存在時(shí)，可能每一毫秒只有數(shù)百個(gè)活躍的連接，同時(shí)其余數(shù)十萬(wàn)連接在這一毫秒是非活躍的。select的使用方法是這樣的：
返回的活躍連接 ==select（全部待監(jiān)控的連接）

什么時(shí)候會(huì)調(diào)用select方法呢？在你認(rèn)為需要找出有報(bào)文到達(dá)的活躍連接時(shí)，就應(yīng)該調(diào)用。所以，調(diào)用select在高并發(fā)時(shí)是會(huì)被頻繁調(diào)用的。這樣，這個(gè)頻繁調(diào)用的方法就很有必要看看它是否有效率，因?yàn)?，它的輕微效率損失都會(huì)被“頻繁”二字所放大。它有效率損失嗎？顯而易見，全部待監(jiān)控連接是數(shù)以十萬(wàn)計(jì)的，返回的只是數(shù)百個(gè)活躍連接，這本身就是無(wú)效率的表現(xiàn)。被放大后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，處理并發(fā)上萬(wàn)個(gè)連接時(shí)，select就完全力不從心了。
看幾個(gè)圖。當(dāng)并發(fā)連接為一千以下，select的執(zhí)行次數(shù)不算頻繁，與epoll似乎并無(wú)多少差距： 

然而，并發(fā)數(shù)一旦上去，select的缺點(diǎn)被“執(zhí)行頻繁”無(wú)限放大了，且并發(fā)數(shù)越多越明顯：

再來(lái)說(shuō)說(shuō)epoll是如何解決的。它很聰明的用了3個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)select方法要做的事：

新建的epoll描述符==epoll_create()

epoll_ctrl(epoll描述符，添加或者刪除所有待監(jiān)控的連接)

返回的活躍連接 ==epoll_wait（ epoll描述符 ）

這么做的好處主要是：分清了頻繁調(diào)用和不頻繁調(diào)用的操作。例如，epoll_ctrl是不太頻繁調(diào)用的，而epoll_wait是非常頻繁調(diào)用的。這時(shí)，epoll_wait卻幾乎沒有入?yún)?，這比select的效率高出一大截，而且，它也不會(huì)隨著并發(fā)連接的增加使得入?yún)⒃桨l(fā)多起來(lái)，導(dǎo)致內(nèi)核執(zhí)行效率下降。

epoll是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，從這3個(gè)方法就可以看出，它比select聰明的避免了每次頻繁調(diào)用“哪些連接已經(jīng)處在消息準(zhǔn)備好階段”的 epoll_wait時(shí)，是不需要把所有待監(jiān)控連接傳入的。這意味著，它在內(nèi)核態(tài)維護(hù)了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存著所有待監(jiān)控的連接。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是一棵紅黑樹，它的結(jié)點(diǎn)的增加、減少是通過(guò)epoll_ctrl來(lái)完成的。它是非常簡(jiǎn)單的： 

圖中左下方的紅黑樹由所有待監(jiān)控的連接構(gòu)成。左上方的鏈表，同是目前所有活躍的連接。于是，epoll_wait執(zhí)行時(shí)只是檢查左上方的鏈表，并返回左上方鏈表中的連接給用戶。這樣，epoll_wait的執(zhí)行效率能不高嗎？

最后，再看看epoll提供的2種玩法ET和LT，即翻譯過(guò)來(lái)的邊緣觸發(fā)和水平觸發(fā)。其實(shí)這兩個(gè)中文名字倒也有些貼切。這2種使用方式針對(duì)的仍然是效率問(wèn)題，只不過(guò)變成了epoll_wait返回的連接如何能夠更準(zhǔn)確些。

例如，我們需要監(jiān)控一個(gè)連接的寫緩沖區(qū)是否空閑，滿足“可寫”時(shí)我們就可以從用戶態(tài)將響應(yīng)調(diào)用write發(fā)送給客戶端 。但是，或者連接可寫時(shí)，我們的“響應(yīng)”內(nèi)容還在磁盤上呢，此時(shí)若是磁盤讀取還未完成呢？肯定不能使線程阻塞的，那么就不發(fā)送響應(yīng)了。但是，下一次epoll_wait時(shí)可能又把這個(gè)連接返回給你了，你還得檢查下是否要處理?？赡?，我們的程序有另一個(gè)模塊專門處理磁盤IO，它會(huì)在磁盤IO完成時(shí)再發(fā)送響應(yīng)。那么，每次epoll_wait都返回這個(gè)“可寫”的、卻無(wú)法立刻處理的連接，是否符合用戶預(yù)期呢？

于是，ET和LT模式就應(yīng)運(yùn)而生了。LT是每次滿足期待狀態(tài)的連接，都得在epoll_wait中返回，所以它一視同仁，都在一條水平線上。ET則不然，它傾向更精確的返回連接。在上面的例子中，連接第一次變?yōu)榭蓪懞螅羰浅绦蛭聪蜻B接上寫入任何數(shù)據(jù)，那么下一次epoll_wait是不會(huì)返回這個(gè)連接的。ET叫做 邊緣觸發(fā)，就是指，只有連接從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)epoll_wait返回它。可見，ET的編程要復(fù)雜不少，至少應(yīng)用程序要小心的防止epoll_wait的返回的連接出現(xiàn)：可寫時(shí)未寫數(shù)據(jù)后卻期待下一次“可寫”、可讀時(shí)未讀盡數(shù)據(jù)卻期待下一次“可讀”。

當(dāng)然，從一般應(yīng)用場(chǎng)景上它們性能是不會(huì)有什么大的差距的，ET可能的優(yōu)點(diǎn)是，epoll_wait的調(diào)用次數(shù)會(huì)減少一些，某些場(chǎng)景下連接在不必要喚醒時(shí)不會(huì)被喚醒（此喚醒指epoll_wait返回）。但如果像我上面舉例所說(shuō)的，有時(shí)它不單純是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，跟應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)。當(dāng)然，大部分開源框架都是基于ET寫的，框架嘛，它追求的是純技術(shù)問(wèn)題，當(dāng)然力求盡善盡美

上述內(nèi)容就是一文帶你讀懂Java IO復(fù)用，你們學(xué)到知識(shí)或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識(shí)儲(chǔ)備，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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文章源于：http://muchs.cn/article16/hisdg.html

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