JAVA中的I/O模型-多路复用｜技术点评在上一节中我们讲解到NIO中如何解决阻塞以及更好的进行客户端数据的读取数据。

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公众号的文章名称：JAVA中的I/O模型-多路复用

背景

上一章节中讲解了NIO相关的知识点，知道了代码中通过配置configureBlocking配置不阻塞，让程序能够一直运行下去（底下也是内核系统进行支持，监听是否有FD发生状态变化）。

环境相关介绍:
1.8 - JDK (1.6前后有版本变化)
CentOS Linux release 7.8.2003 (Core)

多路复用及 Reactor模式

为何需要

在上一节中我们讲解到NIO中如何解决阻塞以及更好的进行客户端数据的读取数据。

但是同样也依旧会存在以下问题：

代码中维护客户端连接。
服务器在不断的将客户端FD传递进行轮询判断是否有事件（涉及线程上下文切换）。

Demo

 11 public class Multiplexing {
 12 
 13     private ServerSocketChannel server = null;
 14     private Selector selector = null;
 15     int port = 9090;
 16 
 17     public  void initServer(){
 18         try {
 19             server = ServerSocketChannel.open();
 20             server.configureBlocking(false);
 21             server.bind(new InetSocketAddress(port));
 22             selector = Selector.open();
 23             server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
 24         } catch (IOException e) {
 25             e.printStackTrace();
 26         }
 27     }
 28 
 29     public void start(){
 30         initServer();
 31         System.out.println("服务器启动了.......");
 32         try {
 33             while (true){
 34                 Set<SelectionKey> keys = selector.keys();
 35                 while (selector.select(500)>0){
 36                     Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
 37                     Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
 38                     while (iterator.hasNext()) {
 39                         SelectionKey selectionKey = iterator.next();
 40                         iterator.remove();
 41                         if (selectionKey.isAcceptable()) {
 42                             acceptHandler(selectionKey);
 43                         } else if (selectionKey.isReadable()) {
 44                             readHandler(selectionKey);
 45                         } else if (selectionKey.isWritable()) {
 46 
 47                         }
 48                     }
 49                 }
 50             }
 51         }catch (Exception e){
 52             e.printStackTrace();
 53         }finally {
 54             try {
 55                 selector.close();
 56                 server.close();
 57             } catch (Exception ex) {
 58 
 59             }
 60         }
 61     }
 62 
 63     public static void main(String[] args) {
 64         Multiplexing multiplexing = new Multiplexing();
 65         multiplexing.start();
 66     }
 67  }

多路复用 - 预先需知

在之前讲解需要了解到的知识点，后期的任何网络IO的变化其实大部分都是依赖于底层操作系统的支持，多路复用也是基于底层操作系统函数的支持。

select函数 - > 同步多路复用IO方法
返回值中会返回三个集合数据包含 readfds,writefds以及exceptfds文件描述符集合。(fds有1024限制)
poll函数 - > 同步多路复用IO方法
返回值中返回对应有响应的fds集合。
epoll_create函数 - > 打开epoll文件描述符
该方法将会返回一个epoll实例（该实例用于接收IO事件通知）。
epoll_ctl函数 - > epoll描述符的控制接口
接收fd绑定对应事件到epoll实例上。
epoll_wait函数 - > 等待epoll文件描述符上IO事件
返回对应有IO事件的fd。

上述方法中，前两个都是基于多路复用进行的，下面三个方法则完全归属于epoll方式（个人觉得他也使用到了多路复用，但是更偏向于Reactor模型）。

不知道有没有小伙伴对于多路复用与Reactor模型这两个概念有没有疑问（我起初看这两个词经常在一起，以为是指的是一个意思），后来经过学习查阅才明白这两个是有一定的差距的：

前两个方法是多路复用的主要调用方法，而epoll则是Reactor模型的代表了。
多路复用的过程即使将产生的fd全部传递至方法中。即抽象可以理解为select(int[] fds)。每次不停的进行轮询判断是否有事件产生，产生之后再进行client的非阻塞事件操作，但是服务端的socket依旧会进行遍历集合。
epoll也是有多路复用的一个概念在其中，但是为什么会叫Reactor模式呢？那是因为通过划分事件进行分别注册到对应的epoll实例上（如下图）。将不同的事件交给不同的epoll实例，最后会交给对应的业务线程去进行处理

代码运行 - 过程详解

项目启动：

.......
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 6
bind(6, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
listen(6, 50)  
.......
epoll_create(256)                       = 9
epoll_ctl(9, EPOLL_CTL_ADD, 6, {EPOLLIN, {u32=6, u64=5031441452962414598}}) = 0
epoll_wait(9, [], 8192, 500)            = 0
.......

上面最开始的三板斧都是固定不变的（针对于server端）。之后我们就可以看到他是采用了epoll方式。epoll_ctl这个函数就是将对应创建的server的fd添加epoll实例中。接下来就是epoll_wait不断的对其实例上注册的fd进行循环。

启动客户端进行连接并进行数据传输：

......
epoll_wait(9, [{EPOLLIN, {u32=6, u64=15747492883499843590}}], 8192, 500) = 1
accept(6, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(40872), sin_addr=inet_addr("127.0.0.1")}, [16]) = 10
epoll_ctl(9, EPOLL_CTL_ADD, 10, {EPOLLIN, {u32=10, u64=15747492883499843594}}) = 0
......
epoll_wait(9, [{EPOLLIN, {u32=10, u64=11426042750433230858}}], 8192, 500) = 1
read(10, "111111\n", 1024)              = 7
write(1, "client port: 41412, data: 111111"..., 33) = 33
write(1, "\n", 1)                       = 1
epoll_wait(9, [], 8192, 500)            = 0
......

可以看到同样进行的client连接后的fd同样也放到epoll实例中（这里可以理解为单Reactor模型）。传输数据的时候监听到fd=10上有事件发生，即产生对应的读写事件。

实验结果

上面的讲解主要是讲了epoll,关于多路复用的也是涉及到一部分。底层还是由系统层面进行支撑的，当然，也并不是多路复用就是完美的解决方案，不然后面也不会有一主N从的Reactor模型出现。

多路复用器：
优势：
通过一次系统调用，把fds，传递给内核，内核进行遍历，减少了系统调用的次数！！
弊端：

重复传递fd。
每次都要重新遍历全量fd。

epoll：

优势：

客户端连接的fds内核存放空间。
不同的事件注册到不同的epoll实例上，性能得到了极大的提升。

弊端：
服务资源开销增加（多Reactor情况下）

总结

上面讲述了多路复用以及Reactor模型。二者皆都谈及了一些，当然对于其中的组成部分还有许多没有提及（例如channel,buffer等）。

不知道小伙伴们有没有想过epoll单个实例的时候其实跟select与poll一样的效果，那为什么多个实例就能得到极大的提升？

其实道理也很简单，就是在针对一个事件监听的数组要查询上面某个fd状态发生改变，其实底层就是遍历操作。只有当前数组元素较少，遍历的时长则会减少，对应的响应就更能及时(这个时候就能很好的理解下面这张图了)。

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JAVA中的I/O模型-多路复用｜技术点评

背景

多路复用 及 Reactor模式