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Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

Netty简述

Netty是一个高性能的网络编程框架。

上面提到了几个关键的字眼，高性能，网络编程，框架。这些概括Netty的本质。

Netty是一个NIO客户端服务器框架，可以快速轻松地开发协议服务器和客户端等网络应用程序。它极大地简化并简化了TCP和UDP套接字服务器等网络编程。

“快速简便”并不意味着最终的应用程序会受到可维护性或性能问题的影响。Netty经过精心设计，具有丰富的协议，如FTP，SMTP，HTTP以及各种二进制和基于文本的传统协议。因此，Netty成功地找到了一种在不妥协的情况下实现易于开发，性能，稳定性和灵活性的方法。

先来简单看一下Netty官网的架构图：

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

从图中可以看出，Netty的架构分为三块，核心（Core），通信服务（Transport Services）还有各种协议（Protocol Support）。我们想象将来要学习的内容都和这些有关系。通过架构图对其有个基本印象。

Linux I/O 模型

在Linux中，将I/O模型分为五种类型：

阻塞式 I/O 模型
非阻塞式 I/O 模型
I/O 复用
信号驱动式 I/O
异步 I/O

Linux中的I/O流程概括来说可以分为两步：

1、等待数据准备好（Waiting for the data to be ready）

2、从内核向进程复制数据（Copying the data from the kernel to the process）

来看下面的图片：

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

从上面的流程可以看出，首先是内核空间把数据从硬件（磁盘）中读到内核空间的缓冲区中，进行这一步操作时，数据处于内核态，通过磁盘驱动器，把数据从磁盘读到内核缓冲区来。下一步是把数据从内核缓冲区拷贝到用户空间的缓冲区，数据由内核态变为用户态。

知识普及：Linux中的程序大致运行在两个空间，自己的程序运行在用户空间，用户空间的权限有限，相对的另外一个空间是内核空间，比如驱动程序或者一些核心的系统调用都是在内核空间完成的。我们的I/O操作当在一个用户空间做系统调用的时候，数据会自动从用户态变到内核态来进行操作，完成了以后再从内核空间拷贝到用户空间。这种状态的切换是为了保证安全。比如在我们32位的操作系统中，大部分是4G的内存，一般前面一个G主要是内核态使用，后面三个G是用户态使用。

阻塞式 I/O 模型

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

阻塞式I/O是我们最常见的一种IO，当我们发起一个IO请求之后，开始进行系统调用，数据变为内核态，这两个阶段是一直处于阻塞的。数据开始从磁盘拷贝到内核空间，处理完后再从内核空间拷贝到应用空间，数据变为用户态。这整个的过程涉及到的所有程序线程都是在等待状态。比如我们Java普通的Socket编程，就是这样一个流程。整个过程中数据没有完成前，接收方都是出于等待状态，这就是阻塞式IO模型。明显可见效率不会高。

非阻塞式 I/O 模型

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

这种方式的特点是调用的时候不会等待（也就是不会阻塞），系统如果没有数据，就会立刻告诉你现在没数据，会立刻返回，然后由调用方自己去问现在有没有，如果没有就下次再问有没有，相当于不断去轮询结果，直到某个时刻被告知有结果了，这个时候数据已经从磁盘拷贝到内核空间了，数据也处于内核态，就差最后从内核态拷贝到用户空间，但是，从内核空间拷贝到用户空间，让数据从内核态变为用户态，这个过程在非阻塞式 I/O 模型中，也是阻塞的！所以效率也不会太高。

I/O 复用模型

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

复用的意思是，系统一次去查看多个io的进度，看哪一个有了结果，对于有结果的，就开始执行下面从内核空间拷贝到用户空间的操作，这个模型和上面非阻塞式 I/O 模型的区别是，非阻塞式 I/O 模型一次只看一个结果好了没有，而IO复用模型一次可以查看多个，一次监控一批系统调用好了没有，这是复用模型的特点。在一定程度上，能提高一些效率。

信号驱动式 I/O 模型

Netty快速入门（01）Linux I/O模型介绍

在Linux系统中，有一种信号机制，也就是说调用方可以注册一个信号，当系统调用完成之后，可以通知这个信号，那注册信号的人就会知道这个请求已经完成了，这种信号机制应用在IO当中就是信号驱动式IO。这样就不是查看结果是否好了，而是被通知的一种方式。不过通知后，从内核态到用户态这个过程还是阻塞的。纯异步的模型就是下面要说的这个。