IO多路復用

先說明一個問題：在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對標準輸入輸出NIO，另一套就是網絡編程NIO。網絡編程其實就是多了一個連接的過程，常用在Netty一些框架。本文主要講述標準輸入輸出NIO

一.BIO，NIO，AIO的區別

先說一些IO的模式

我們發現，IO不是我們想像中那麼簡單。要想進行IO操作，需要發一個請求給CPU，CPU得到通知後，此時CPU就需要調用操作系統內核程序(磁盤控制器)。這就是用戶態->內核態。
磁盤控制器接到通知，使用DMA技術將數據放到PageCache中，再由CPU把數據從內核程序傳回用戶程序(buffer)。這就是內核態->用戶態。
關於上圖的操作系統知識，如果不是清楚，請先移步//www.cnblogs.com/monkey-xuan/category/2067966.html，分3章講清楚操作系統核心內容。

根據上面的模型，其實我們可以把一次IO粗略的分為2個步驟：「內核數據準備好」和「數據從內核態拷貝到用戶態」

- 多路復用I/O：在非阻塞的前提下優化,不會一直詢問。但是多一個select期。(NIO)
  - 適用於連接數目多且連接比較短的操作(輕操作)。比如rpc框架，聊天服務器等。
異步I/O: 兩個步驟都無需等待，詢問完交給內核自動完成。(AIO)
- 適用於連接數目多且連接比較長的操作(重操作)，比如相框服務器，充分調用OS參與並發操作。

多路復用的系統方法說明：一直在升級

select：用一個線程，接收到IO的請求，就將這些進行IO的文件描述符複製一份到內核，然後內存進行遍歷，看哪個文件已經準備好數據，將準備好的文件描述符的個數返回給用戶態，用戶態再進行遍歷，找到是哪個文件描述符的IO。有3個缺點如下
- select 調用需要傳入 fd 數組，需要拷貝一份到內核，高並發場景下這樣的拷貝消耗的資源是驚人的。（可優化為不複製）
- select 在內核層仍然是通過遍歷的方式檢查文件描述符的就緒狀態，是個同步過程，只不過無系統調用切換上下文的開銷。（內核層可優化為異步事件通知）
- select 僅僅返回可讀文件描述符的個數，具體哪個可讀還是要用戶自己遍歷。（可優化為只返回給用戶就緒的文件描述符，無需用戶做無效的遍歷）
poll：它和 select 的主要區別就是，去掉了 select 只能監聽 1024 個文件描述符的限制。
epoll：epoll 是最終的大 boss，它解決了 select 和 poll 的一些問題。
- 內核中保存一份文件描述符集合，無需用戶每次都重新傳入，只需告訴內核修改的部分即可。
- 內核不再通過輪詢的方式找到就緒的文件描述符，而是通過異步 IO 事件喚醒。
- 內核僅會將有 IO 事件的文件描述符返回給用戶，用戶也無需遍歷整個文件描述符集合。

這裡附上一個大佬寫的關於IO多路復用的動畫：IO多路復用

二.NIO的組成

Channel：

數據傳輸的雙向通道，既可以用來讀數據又可以用來寫數據。主要實現類如下：
- FileChannel：文件IO
- DatagramChannel：UDP的IO
- SocketChannel 和 ServerSocketChannel：TCP的IO

Buffer：

用於和 NIO 通道進行交互。
Buffer 是一個頂層父類，它是一個抽象類，常用的 Buffer 的子類有：ByteBuffer、 IntBuffer、 CharBuffer、 LongBuffer、 DoubleBuffer、 FloatBuffer、ShortBuffer等
下圖為網絡IO的一個簡單圖

Selector：

選擇器，也可以翻譯為多路復用器。它是 Java NIO 核心組件中的一個，用於檢查一個或多個 NIO Channel（通道）的狀態是否處於可讀、可寫。如此可以實現單線程管理多個 channels，也就是可以管理多個網絡鏈接，就可以避免線程上下文切換。一個Selector對應一個線程，

三.Buffer中對應的Position， Mark， Capacity，Limit都啥？

capacity：緩衝區容量的大小，就是裏面包含的數據大小。
limit：對buffer緩衝區使用的一個限制，從這個index開始就不能讀取數據了。
position：代表着數組中可以開始讀寫的index，不能大於limit。
mark：是類似路標的東西，在某個position的時候，設置一下mark，此時就可以設置一個標記
- 後續調用reset()方法可以把position複位到當時設置的那個mark上。去把position或limit調整為小於mark的值時，就丟棄這個mark，如果使用的是Direct模式創建的Buffer的話，就會減少中間緩衝直接使用DirectorBuffer來進行數據的存儲。