Linux I/O模型详解

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先抛出一个问题，基于此问题引出文章的主题：1999 年 Dan Kegel 在其个人站点提出了 C10K问题，首字母 C 是 Client 的缩写，C10K 即单机同时处理 1 万个连接的问题。

C10K 表示处理 10000 个并发连接，注意这里的并发连接和每秒请求数不同，虽然它们是相似的，每秒处理许多请求需要很高的吞吐量（快速处理它们），但是更大数量的并发连接需要高效的连接调度，即 I/O 模型的问题。

道听途说：早期 QQ 也面临 C10K 问题，所以他们使用 UDP 绕开了这个问题。

UDP 协议是无连接方式的协议，它的效率高，速度快，占资源少，但是其传输机制为不可靠传送，必须依靠辅助的算法来完成传输控制。

BIO

BIO（Blocking I/O）是最传统的 I/O 模型，它是阻塞的，即在进行 I/O 操作时，转到内核空间处理，应用程序会被阻塞，直到操作完成。

对于每个连接或文件，通常需要创建一个单独的线程或进程来处理，这会导致资源消耗很高。

BIO 不适用并发量大的应用，因为每个 I/O 请求都会阻塞进程，所以，需要为每请求分配一个处理进程（线程）以及时响应，系统开销大。

基于 BIO 去解决 C10K 问题，就需要创建 1 万个进程（线程），这显然是不现实的，系统无法支撑如此庞大的开销。

而且进程（线程）间的频繁切换，也会导致性能的严重下降，系统的绝大部分资源都用来做进程（线程）的上下文切换。

下面是一段服务端基于 BIO 的实现，每一个 Client 都会创建一个线程来处理该连接：

public void serverStartBIO() {
  // 创建服务端Socket, 监听8080 端口
  ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
  while (true) {
    // 阻塞等待 Client 连接
    Socket client = server.accept(); 
    // 退出阻塞代表有客户端连接进来
    new Thread(new Runnable(){
      public void run() {
        InputStream in = client.getInputStream();
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
        while(true){
          // 阻塞等待客户端发送消息
          String dataline = reader.readLine(); 
          if(null != dataline){
              // 读取数据成功
          }else{
              // 关闭客户端
              client.close();
          }
        }
        System.out.println("客户端断开");
      }
    }).start();
  }
}

NIO

NIO 是一种相对于 BIO 更高效的 I/O 模型，它引入了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念，允许应用程序进行非阻塞 I/O 操作。

NIO 解决了 BIO 需要大量进程（线程）造成资源浪费的问题，它允许程序在进行 I/O 操作时继续执行其他任务，而不必等待操作完成。它基于以下几个关键概念：