Netty快速入門（01）Linux I/O模型介紹
Netty簡述
Netty是一個高效能的網路程式設計框架。
上面提到了幾個關鍵的字眼，高效能，網路程式設計，框架。這些概括Netty的本質。
Netty是一個NIO客戶端伺服器框架，可以快速輕鬆地開發協議伺服器和客戶端等網路應用程式。它極大地簡化並簡化了TCP和UDP套接字伺服器等網路程式設計。
“快速簡便”並不意味著最終的應用程式會受到可維護性或效能問題的影響。Netty經過精心設計，具有豐富的協議，如FTP，SMTP，HTTP以及各種二進位制和基於文字的傳統協議。因此，Netty成功地找到了一種在不妥協的情況下實現易於開發，效能，穩定性和靈活性的方法。
先來簡單看一下Netty官網的架構圖：
從圖中可以看出，Netty的架構分為三塊，核心（Core），通訊服務（Transport Services）還有各種協議（Protocol Support）。我們想象將來要學習的內容都和這些有關係。通過架構圖對其有個基本印象。
Linux I/O 模型
在Linux中，將I/O模型分為五種型別：
阻塞式 I/O 模型
非阻塞式 I/O 模型
I/O 複用
訊號驅動式 I/O
非同步 I/O
Linux中的I/O流程概括來說可以分為兩步：
1、等待資料準備好（Waiting for the data to be ready）
2、從核心向程序複製資料（Copying the data from the kernel to the process）
來看下面的圖片：
從上面的流程可以看出，首先是核心空間把資料從硬體（磁碟）中讀到核心空間的緩衝區中，進行這一步操作時，資料處於核心態，通過磁碟驅動器，把資料從磁碟讀到核心緩衝區來。下一步是把資料從核心緩衝區拷貝到使用者空間的緩衝區，資料由核心態變為使用者態。
知識普及：Linux中的程式大致執行在兩個空間，自己的程式執行在使用者空間，使用者空間的許可權有限，相對的另外一個空間是核心空間，比如驅動程式或者一些核心的系統呼叫都是在核心空間完成的。我們的I/O操作當在一個使用者空間做系統呼叫的時候，資料會自動從使用者態變到核心態來進行操作，完成了以後再從核心空間拷貝到使用者空間。這種狀態的切換是為了保證安全。比如在我們32位的作業系統中，大部分是4G的記憶體，一般前面一個G主要是核心態使用，後面三個G是使用者態使用。
阻塞式 I/O 模型
阻塞式I/O是我們最常見的一種IO，當我們發起一個IO請求之後，開始進行系統呼叫，資料變為核心態，這兩個階段是一直處於阻塞的。資料開始從磁碟拷貝到核心空間，處理完後再從核心空間拷貝到應用空間，資料變為使用者態。這整個的過程涉及到的所有程式執行緒都是在等待狀態。比如我們Java普通的Socket程式設計，就是這樣一個流程。整個過程中資料沒有完成前，接收方都是出於等待狀態，這就是阻塞式IO模型。明顯可見效率不會高。
非阻塞式 I/O 模型
這種方式的特點是呼叫的時候不會等待（也就是不會阻塞），系統如果沒有資料，就會立刻告訴你現在沒資料，會立刻返回，然後由呼叫方自己去問現在有沒有，如果沒有就下次再問有沒有，相當於不斷去輪詢結果，直到某個時刻被告知有結果了，這個時候資料已經從磁碟拷貝到核心空間了，資料也處於核心態，就差最後從核心態拷貝到使用者空間，但是，從核心空間拷貝到使用者空間，讓資料從核心態變為使用者態，這個過程在非阻塞式 I/O 模型中，也是阻塞的！所以效率也不會太高。
I/O 複用模型
複用的意思是，系統一次去檢視多個io的進度，看哪一個有了結果，對於有結果的，就開始執行下面從核心空間拷貝到使用者空間的操作，這個模型和上面非阻塞式 I/O 模型的區別是，非阻塞式 I/O 模型一次只看一個結果好了沒有，而IO複用模型一次可以檢視多個，一次監控一批系統呼叫好了沒有，這是複用模型的特點。在一定程度上，能提高一些效率。
訊號驅動式 I/O 模型
在Linux系統中，有一種訊號機制，也就是說呼叫方可以註冊一個訊號，當系統呼叫完成之後，可以通知這個訊號，那註冊訊號的人就會知道這個請求已經完成了，這種訊號機制應用在IO當中就是訊號驅動式IO。這樣就不是檢視結果是否好了，而是被通知的一種方式。不過通知後，從核心態到使用者態這個過程還是阻塞的。純非同步的模型就是下面要說的這個。
非同步 I/O模型
這種模型是真正的純非同步的IO模型，當開始系統呼叫，資料從磁碟讀到核心空間，並且從核心態已經拷貝到了使用者態之後，整個流程已經完成了，然後在進行回撥，通知呼叫方。主要的區別在於不是在核心空間中完成了就通知，而是由核心空間到了使用者空間後再通知，沒有任何阻塞的過程，是一種更加徹底的非同步IO。
各種I/O模型之間的比較
阻塞式IO就是發起呼叫之後，就一直阻塞，在等著，直到整個IO完成。在這個過程當中，程序是不能幹任何事情的。都在等待。
非阻塞式IO就是，程序會主動去問好了沒，好了沒，好了沒。。。直到得到回覆好了，然後發起讀請求，把資料從核心空間拷貝到使用者空間。這個過程是阻塞的。
IO複用模型，就是每次都檢視多個結果好了沒，如果發現n個當中有一兩個有了結果，就返回，有結果的這些開始拷貝。
訊號驅動式IO模型，就是等資料拷貝到核心空間再通知，前面這段時間可以做別的事情，等核心空間準備好了，通知，再把資料從核心空間拷貝到使用者空間。
非同步IO模型，就是發起呼叫後就徹底不管了，等資料好了後從核心空間拷貝到使用者空間了，再進行通知，整個過程沒有阻塞的步驟。
從比較重來看，非同步IO從理論上來看是最好的，不存在任何阻塞的時間，系統資源理論上可以得到充分利用。
同步VS非同步
lPOSIX標準將同步I/O和非同步I/O定義為：
同步I/O操作：導致請求程序阻塞，直到I/O操作完成。
非同步I/O操作：不導致請求程序阻塞。
從定義上看，只有最後的非同步IO模型是真正的非同步，前面四種都達不到真正的非同步。但是目前來看，純非同步的IO一直都不太成熟，比較混亂，沒有一個標準的解決方案。用的最多的還是IO複用模型，這個是目前為止比較成熟的一個模型。
在Java中，我們用的最多的Socket網路程式設計，就是阻塞式IO模型，後來的NIO就是IO複用模型，在Java中不支援訊號驅動模型。Java的NIO2.0，也叫AIO，提供了純非同步的IO模型，但是現在的非同步IO模型還不是很成熟，所以用的最多的就是NIO，也就是IO複用模型。
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