【高并发】高并发 IO 核心基础

IO基础

操作系统将内存（虚拟内存）分为两部分（为了避免用户进程直接操作内核，以保证内核安全）

• 内核空间 · Kernel-Space

• • 运行内核模块，对应的进程处于内核态

• 用户空间 · User-Space

• • 运行用户程序，对应的进程处于用户态

用户态进程必须要通过系统调用（System Call） 向内核发出指令，完成调用系统资源之类的操作；内核态进程则无限制

“用户程序进行IO的读写依赖于底层的IO读写，基本上会用到底层的read和write两大系统调用。虽然在不同的操作系统中read和write两大系统调用的名称和形式可能不完全一样，但是它们的基本功能是一样的。”

摘录来自: 尼恩. “Java高并发核心编程. 卷1, NIO、Netty、Redis、ZooKeeper。” Apple Books.

其实就是，操作系统内核完成物理设备（磁盘、网卡等）和内核缓冲区之间的交换；而应用程序完成内核缓冲区到进程缓冲区之间的数据交换

我们以为的IO实际上不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制

4种主要的IO模型

• 阻塞IO/非阻塞IO

• • “阻塞”指的是用户程序（发起IO请求的进程或者线程）的执行状态
  • 阻塞IO：指的是需要内核IO操作彻底完成后（非阻塞则无需）才返回到用户空间执行用户程序的操作指令

• 同步IO/异步IO

• • 是发起IO的两种方式
  • 同步IO：用户空间主动发起，系统内核被动接收（例如input）；异步IO则相反（例如output）

同步阻塞IO · Blocking IO

用户空间主动发起，需要等待内核IO操作彻底完成后，才返回到用户空间的IO操作；即在IO操作过程中，发起IO请求的用户进程/线程处于阻塞状态

默认情况下，在Java应用程序进程中所有对socket连接进行的IO操作都是同步阻塞IO

同步非阻塞IO · Non-Blocking IO

用户空间主动发起，无需等内核IO操作彻底完成，即可返回到用户空间去执行后续操作的IO操作（但会立刻返回给用户一个IO状态值）；即在IO操作中，发起IO请求的用户进程/线程处于非阻塞状态

需要不断轮询内核，以确定数据是否准备好（一般不直接使用）

IO多路复用 · IO Multiplexing（也称异步阻塞IO）

用户进程/线程监视多个文件描述符，一旦有“就绪”的描述符（一般是内核缓冲区可读/可写），内核就会将文件描述符的就绪状态返回给用户进程/线程，用户空间可以根据文件描述符的就绪状态进行相应的IO系统调用

可避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题，Java中的Selecter就属于这种模型

异步IO · Asynchronous IO（信号驱动IO）

内核空间主动调用，用户空间被动接收（不会被阻塞，但需要进行事件的注册与接收）

即当用户线程收到了通知时，数据已经被内核读取完毕并放在了用户缓冲区内

Java中的回调模式，用户进程/线程向内核空间注册了各种IO事件的回调函数，由内核主动调用