互联网Java面试-BIO、NIO、select、epoll篇

1、BIO

举个例子，当用read去读取网络的数据时，是无法预知对方是否已经发送数据的。因此在收到数据之前，能做的只有等待，直到对方把数据发过来，或者等到网络超时。

对於单线程的网络服务，这样做就会有卡死的问题。因为当等待时，整个线程会被挂起，无法执行，也无法做其他的工作，导致当前的进程被block。

于是，网络服务为了同时响应多个并发的网络请求，必须实现为多线程的。每个线程处理一个网络请求。线程数随着并发连接数线性增长。但这带来两个问题：

• 线程越多，上下文切换，会无谓浪费大量的CPU。
• 每个线程会占用一定的内存作为线程的栈。比如有1000个线程同时运行，每个占用1MB内存，就占用了1个G的内存。

要是操作IO接口时，操作系统能够总是直接告诉有没有数据，而不是Block去等就好了。于是，NIO登场。

2、NIO

BIO和NIO的区别是什么呢？

在BIO模式下，调用read，如果发现没数据已经到达，就会Block住。

在NIO模式下，调用read，如果发现没数据已经到达，就会立刻返回-1, 并且errno被设为EAGAIN。这样就是可以有一个tomcat 线程完成所有的读任务了，不需要多线程了。

于是，一段NIO的代码，大概就可以写成这个样子。

struct timespec sleep_interval{.tv_sec = 0, .tv_nsec = 1000};
ssize_t nbytes;
while (1) {
    /* 尝试读取 */
    if ((nbytes = read(fd, buf, sizeof(buf))) < 0) {
        if (errno == EAGAIN) { // 没数据到
            perror("nothing can be read");
        } else {
            perror("fatal error");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    } else { // 有数据
        process_data(buf, nbytes);
    }
    // 处理其他事情，做完了就等一会，再尝试
    nanosleep(sleep_interval, NULL);
}

这段代码很容易理解，就是轮询，不断的尝试有没有数据到达，有了就处理，没有就等一小会再试。这比之前BIO好多了，起码程序不会被卡死了。

但这样会带来两个新问题：

• 如果有大量文件描述符都要等，那么就得一个一个的read。这会带来大量的上下文切换，因为read是系统调用，每调用一次就得在用户态和核心态切换一次。
• 休息一会的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长，程序响应延迟就过大；设的太短，就会造成过于频繁的重试，干耗CPU而已。

要是操作系统能一口气告诉程序，哪些数据到了就好了。

于是IO多路复用被搞出来解决这个问题。

3、IO多路复用（select）

select长这样：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

它接受3个文件描述符的数组，分别监听读取(readfds)，写入(writefds)和异常(expectfds)事件。那么一个 IO多路复用的代码大概是这样：

struct timeval tv = {.tv_sec = 1, .tv_usec = 0};

ssize_t nbytes;
while(1) {
    FD_ZERO(&read_fds);
    setnonblocking(fd1);
    setnonblocking(fd2);
    FD_SET(fd1, &read_fds);
    FD_SET(fd2, &read_fds);
    // 把要监听的fd拼到一个数组里，而且每次循环都得重来一次...
    if (select(FD_SETSIZE, &read_fds, NULL, NULL, &tv) < 0) { // block住，直到有事件到达
        perror("select出错了");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (int i = 0; i < FD_SETSIZE; i++) {
        if (FD_ISSET(i, &read_fds)) {
            /* 检测到第[i]个读取fd已经收到了，这里假设buf总是大于到达的数据，所以可以一次read完 */
            if ((nbytes = read(i, buf, sizeof(buf))) >= 0) {
                process_data(nbytes, buf);
            } else {
                perror("读取出错了");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        }
    }
}

首先，为了select需要构造一个fd数组。用select监听了read_fds中的多个socket的读取时间。调用select后，程序会Block住，直到有人告诉select可以select了，或者等到最大1秒钟(tv定义了这个时间长度），然后select需要遍历所有注册的fd，挨个检查哪个fd有事件到达。

select又带来了新的问题：

• select能够支持的最大的fd数组的长度是1024。这对要处理高并发的web服务器是不可接受的。
• fd数组按照监听的事件分为了3个数组，为了这3个数组要分配3段内存去构造，而且每次调用select前都要重设它们；调用select后，这3数组要从用户态复制一份到内核态；事件到达后，要遍历这3数组。很不爽。
• select返回后要挨个遍历fd，找到被“SET”的那些进行处理。这样比较低效。
• select是无状态的，即每次调用select，内核都要重新检查所有被注册的fd的状态。select返回后，这些状态就被返回了，内核不会记住它们；到了下一次调用，内核依然要重新检查一遍。于是查询的效率很低。

于是出现了epoll api。

4、用epoll实现的IO多路复用

第一步：与select不同，要使用epoll是需要先创建一下的。

int epfd = epoll_create(10);

epoll_create在内核层创建了一个数据表，接口会返回一个“epoll的文件描述符”指向这个表。

为什么epoll要创建一个用文件描述符来指向的表呢？这里有个好处：

• epoll是有状态的，不像select和poll那样每次都要重新传入所有要监听的fd，这避免了很多无谓的数据复制。epoll的数据是用接口epoll_ctl来管理的（增、删、改）。避免了全量复制。

第二步：使用epoll_ctl接口来注册要监听的事件。

//其中第一个参数就是上面创建的epfd。
//第二个参数op表示如何对文件名进行操作，共有3种。
	-EPOLL_CTL_ADD - 注册一个事件
 	- EPOLL_CTL_DEL - 取消一个事件的注册
	- EPOLL_CTL_MOD - 修改一个事件的注册
//第三个参数是要操作的fd，这里必须是支持NIO的fd（比如socket）。
//第四个参数是一个epoll_event的类型的数据，表达了注册的事件的具体信息。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

通过epoll_ctl就可以灵活的注册/取消注册/修改注册某个fd的某些事件。

第三步，使用epoll_wait来等待事件的发生。

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *evlist, int maxevents, int timeout);

特别留意，这一步是"block"的。只有当注册的事件至少有一个发生，或者timeout达到时，该调用才会返回。这与select和poll几乎一致。但不一样的地方是evlist，它是epoll_wait的返回数组，里面只包含那些被触发的事件对应的fd，而不是像select和poll那样返回所有注册的fd。

综合起来，一段比较完整的epoll代码大概是这样的。

#define MAX_EVENTS 10
struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS];
int nfds, epfd, fd1, fd2;

// 假设这里有两个socket，fd1和fd2，被初始化好。
// 设置为non blocking
setnonblocking(fd1);
setnonblocking(fd2);

// 创建epoll
epfd = epoll_create(MAX_EVENTS);
if (epollfd == -1) {
    perror("epoll_create1");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

//注册事件
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
ev.data.fd = fd1;
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd1, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: error register fd1");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
if (epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd2, &ev) == -1) {
    perror("epoll_ctl: error register fd2");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 监听事件
for (;;) {
    nfds = epoll_wait(epdf, events, MAX_EVENTS, -1);
    if (nfds == -1) {
        perror("epoll_wait");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (n = 0; n < nfds; ++n) { // 处理所有发生IO事件的fd
        process_event(events[n].data.fd);
        // 如果有必要，可以利用epoll_ctl继续对本fd注册下一次监听，然后重新epoll_wait
    }
}

所有的基于IO多路复用的代码都会遵循这样的写法：注册——监听事件——处理——再注册，无限循环下去。

5、epoll的优势

每次某个被监听的fd一旦有事件发生，内核就直接标记之。epoll_wait调用时，会尝试直接读取到当时已经标记好的fd列表，如果没有就会进入等待状态。

同时，epoll_wait直接只返回了被触发的fd列表，这样上层应用再也不用从大量注册的fd中筛选出有事件的fd了。

简单说就是select和poll的代价是"O(所有注册事件fd的数量)"，而epoll的代价是"O(发生事件fd的数量)"。于是，高性能网络服务器的场景特别适合用epoll来实现。