1 前置知識

1.1 socket是什麼？

就是傳輸控制層tcp連線通訊。

1.2 fd是什麼？

fd既file descriptor-檔案描述符。Java中用物件代表輸入輸出流等...在Linux系統中不是面向物件的，是一切皆檔案的，拿檔案來代表輸入輸出流。其實是一個數值，例如1,2,3,4...0是標準輸入，1是標準輸出，2是錯誤輸出... 任何程序在作業系統中都有自己IO對應的檔案描述符，參考如下：

[root@iZj6c1dib207c054itjn30Z ~]# ps -ef | grep redis
root     20688     1  0 Nov23 ?        00:01:01
 
 /opt/redis/bin/redis-server 127.0.0.1:6379
root     20786     1  0 Nov23 ?        00:01:00 /opt/redis/bin/redis-server 127.0.0.1:6380
root     30741 30719  0 12:26 pts/1    00:00:00 grep --color=auto redis
[root@iZj6c1dib207c054itjn30Z ~]# cd /proc/20688/fd
[root@iZj6c1dib207c054itjn30Z fd]# ll
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 23 21:50
 
 0 -> /dev/null
lrwx------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 1 -> /dev/null
lrwx------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 2 -> /dev/null
lr-x------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 3 -> pipe:[27847377]
l-wx------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 4 -> pipe:[27847377]
lrwx------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 5 -> anon_inode:[eventpoll]
lrwx
 
------ 1 root root 64 Nov 23 21:50 6 -> socket:[27847384]

2 從BIO到epoll

2.1 BIO

計算機有核心，客戶端和核心連線產生fd，計算機的程序或執行緒會讀取相應的fd。 因為socket在這個時期是blocking的，執行緒讀取socket產生的檔案描述符時，如果資料包沒到，讀取命令不能返回，會被阻塞。導致會有更多的執行緒被丟擲，單位CPU在某一時間片只能處理一個執行緒，出現數據包到了的執行緒等著資料包沒到的執行緒的情況，造成CPU資源浪費，CPU切換執行緒成本巨大。 例如早期Tomcat7.0版預設就是BIO。

2.2 早期NIO

socket對應的fd是非阻塞的 單位CPU只用一個執行緒，就一顆CPU只跑一個執行緒，沒有CPU切換損耗，在使用者空間輪詢遍歷所有的檔案描述符。從遍歷到取資料都是自己完成，所以是同步非阻塞IO。 問題是如果有1000個fd，代表使用者程序輪詢呼叫1000次kernel， 使用者空間查詢一次檔案描述符就得呼叫一次系統呼叫，讓後核心態使用者態來回切換成本很大。

2.3 多路複用NIO

核心向前發展，輪詢放到核心裡，核心增加一個系統呼叫select函式，統一把一千個fd傳給select函式，核心操作select函式，fd準備好後返回給執行緒，拿著返回的檔案描述符找出ready的再去調read。如果1000個fd只有1個有資料，以前要調1000次，現在只調1次，相對前面在系統呼叫上更加精準。還是同步非阻塞的，只是減少了使用者態和核心態的切換。 Linux只能實現NIO，不能實現AIO 問題：使用者態和核心態溝通的fd相關資料要來回拷貝

2.3 epoll

核心通過mmap實現共享空間，使用者態和核心態有一個空間是共享的，檔案描述符fd存在共享空間實現使用者態和核心態共享。epoll裡面有三個呼叫，使用者空間先epoll_create準備一個共享空間mmap，裡面維護一個紅黑樹，核心態將連線註冊進紅黑樹，epoll_ctl寫入。當有資料準備好了，呼叫epoll_wait中斷阻塞，取連結串列fd，再單獨呼叫read mmap應用：kafka實現資料通過socket存到伺服器檔案上的過程也是mmap epoll應用：redis和nginx的worker程序等等