一.linux基礎知識講解
1.32位操作系統爲什麼只能使用4G的內存
cpu的位是指一次性可處理的數據量是多少，1字節=8位，32位處理器可以一次性處理4個字節的數據量。如果用32位標識內存中的一個地址，那麼就只能有2的32次方=4G個地址了，所以32位的cpu只能使用4G的內存了。
2.內核空間和用戶空間
爲了保證用戶進程不能直接操作內核，保證內核的安全，操心繫統將4G內存劃分爲兩部分，一部分爲內核空間，一部分爲用戶空間。針對linux操作系統而言，將最高的1G字節（從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供內核使用，稱爲內核空間，而將較低的3G字節（從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱爲用戶空間。每個進程可以通過系統調用進入內核，因此，Linux內核由系統內的所有進程共享。於是，從具體進程的角度來看，每個進程可以擁有4G字節的虛擬空間。
有了用戶空間和內核空間，整個linux內部結構可以分爲三部分，從最底層到最上層依次是：硬件–>內核空間–>用戶空間。
3.數據操作流程
我們都知道，爲了OS的安全性等的考慮，進程是無法直接操作I/O設備的，其必須通過系統調用請求內核來協助完成I/O動作，而內核會爲每個I/O設備維護一個buffer。
整個請求過程爲： 用戶進程發起請求，內核接受到請求後，從I/O設備中獲取數據到buffer中，再將buffer中的數據copy到用戶進程的地址空間，該用戶進程獲取到數據後再響應客戶端。
二.I/O模型
數據流入的兩階段:
- 等待數據準備階段（數據從IO設備進入內核buffer）
- 數據從內核buffer被複制到用戶空間
根據這兩個階段的阻塞情況，吧I/O劃分爲五種模型：
1.阻塞I/O
當用戶進程調用了recvfrom這個系統調用，內核就開始了IO的第一個階段：等待數據準備。對於network io來說，很多時候數據在一開始還沒有到達（比如，還沒有收到一個完整的TCP包），這個時候內核就要等待足夠的數據到來。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞。當內核一直等到數據準備好了，它就會將數據從內核中拷貝到用戶內存，然後內核返回結果，用戶進程才解除block的狀態，重新運行起來。
所以，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了。
對應java實現:
ServerSocket.accept(), socket.read()
2.非阻塞I/O
當用戶進程調用recvfrom時，系統不會阻塞用戶進程，而是立刻返回一個ewouldblock錯誤，從用戶進程角度講 ，並不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。用戶進程判斷標誌是ewouldblock時，就知道數據還沒準備好，於是它就可以去做其他的事了，於是它可以再次發送recvfrom，一旦內核中的數據準備好了。並且又再次收到了用戶進程的system call，那麼它馬上就將數據拷貝到了用戶內存，然後返回。
只有第二階段阻塞；
當一個應用程序在一個循環裏對一個非阻塞調用recvfrom，我們稱爲輪詢。應用程序不斷輪詢內核，看看是否已經準備好了某些操作，這通常是浪費CPU時間。
對應java實現:
java nio中不使用selecter的情況
需要ServerSocketChannel.configureBlocking(false)配置爲非阻塞
serverSocketChannel.accept(),SocketChannel.read()
3.I/O多路複用
就是我們常說的select，poll，epoll
當用戶進程調用了select，那麼整個進程會被block，而同時，內核會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調用read操作，將數據從內核拷貝到用戶進程。
select
基本原理：select 函數監視的文件描述符分3類，分別是writefds、readfds、和exceptfds。調用後select函數會阻塞，直到有描述符就緒（有數據 可讀、可寫、或者有except），或者超時（timeout指定等待時間，如果立即返回設爲null即可），函數返回。當select函數返回後，可以通過遍歷fdset，來找到就緒的描述符。
缺點:
1、select最大的缺陷就是單個進程所打開的FD是有一定限制的，它由FDSETSIZE設置，32位機默認是1024個，64位機默認是2048。
一般來說這個數目和系統內存關係很大，”具體數目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看”。32位機默認是1024個。64位機默認是2048.
2、對socket進行掃描時是線性掃描，即採用輪詢的方法，效率較低。
當套接字比較多的時候，每次select()都要通過遍歷FDSETSIZE個Socket來完成調度，不管哪個Socket是活躍的，都遍歷一遍。這會浪費很多CPU時間。”如果能給套接字註冊某個回調函數，當他們活躍時，自動完成相關操作，那就避免了輪詢”，這正是epoll與kqueue做的。
3、需要維護一個用來存放大量fd的數據結構，這樣會使得用戶空間和內核空間在傳遞該結構時複製開銷大
poll
基本原理：poll本質上和select沒有區別，它將用戶傳入的數組拷貝到內核空間，然後查詢每個fd對應的設備狀態，如果設備就緒則在設備等待隊列中加入一項並繼續遍歷，如果遍歷完所有fd後沒有發現就緒設備，則掛起當前進程，直到設備就緒或者主動超時，被喚醒後它又要再次遍歷fd。這個過程經歷了多次無謂的遍歷。
它沒有最大連接數的限制，原因是它是基於鏈表來存儲的，但是同樣有缺點：
- 大量的fd的數組被整體複製於用戶態和內核地址空間之間，而不管這樣的複製是不是有意義。
- poll還有一個特點是“水平觸發”，如果報告了fd後，沒有被處理，那麼下次poll時會再次報告該fd。
注意：從上面看，select和poll都需要在返回後，通過遍歷文件描述符來獲取已經就緒的socket。事實上，同時連接的大量客戶端在一時刻可能只有很少的處於就緒狀態，因此隨着監視的描述符數量的增長，其效率也會線性下降。
epoll
基本原理：epoll支持水平觸發和邊緣觸發，最大的特點在於邊緣觸發，它只告訴進程哪些fd剛剛變爲就緒態，並且只會通知一次。還有一個特點是，epoll使用“事件”的就緒通知方式，通過epollctl註冊fd，一旦該fd就緒，內核就會採用類似callback的回調機制來激活該fd，epollwait便可以收到通知。
epoll的優點：
- 沒有最大併發連接的限制，能打開的FD的上限遠大於1024（1G的內存上能監聽約10萬個端口）。
- 效率提升，不是輪詢的方式，不會隨着FD數目的增加效率下降。
只有活躍可用的FD纔會調用callback函數；即Epoll最大的優點就在於它只管你“活躍”的連接，而跟連接總數無關，因此在實際的網絡環境中，Epoll的效率就會遠遠高於select和poll。 - 內存拷貝，利用mmap()文件映射內存加速與內核空間的消息傳遞；即epoll使用mmap減少複製開銷。
對應java實現:
java nio中使用selecter的情況
4.信號驅動I/O
5.異步IO
當用戶進程向內核發起某個操作後，會立刻得到返回，並把所有的任務都交給內核去完成（包括將數據從內核拷貝到用戶自己的緩衝區），內核完成之後，只需返回一個信號告訴用戶進程已經完成就可以了。
對應java實現:
java.nio.channels.AsynchronousChannel
標記一個channel支持異步IO操作。
java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel
ServerSocket的aio版本，創建TCP服務端，綁定地址，監聽端口等。
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel
面向流的異步socket channel，表示一個連接。
三.I/O模型對比
結果表明：前四個模型之間的主要區別是第一階段，四個模型的第二階段是一樣的：過程受阻在調用recvfrom當數據從內核拷貝到用戶緩衝區。然而，異步I/O處理兩個階段，與前四個不同。
四.參考網站
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0MzQ5MDA0Mw==&mid=2247483907&idx=1&sn=3d5e1384a36bd59f5fd14135067af1c2&chksm=fb0be897cc7c61815a6a1c3181f3ba3507b199fd7a8c9025e9d8f67b5e9783bc0f0fe1c73903&scene=21#wechat_redirect