【Notes5】IO

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1.IO多路复用select/poll/epoll：bF用o

硬盘和网卡（IO）。如下A，B。。都是客户端，方框是服务端。首先想到应对并发，写一个多线程程序，每个传上来的请求都是一个线程，现在很多rpc框架用了这种方式，多线程存在弊端：cpu上下文切换，因而多线程不是最好的解决方案，转回单线程。如下while(1)…for…就是单线程。

如下虚线上面是准备fds和max（max用来卡bitmap多少位）。bitmap是1024位，涵盖了fds中所有信息。上面if（fdx是否有数据）用程序判断在select中是内核来判断，内核判断效率比用户态判断高，因为用户态判断也是询问内核，有个用户态和内核态切换，我们判断每一个每一次都要用户态和内核态切换。

有数据来，内核将FD有数据的插个旗子，FD置位中FD指的是rset中对应的那一位，而不是真正的fds中的元素。select返回后（如下最后5行）再遍历fd集合中5个fd并判断哪一个fd被set置位了，被set的那个有数据将它数据读出来并puts（处理），和上面用程序判断fd有无数据再处理思路一致。rset被内核set置位了需要每次while回来FD_ZERO赋空值，再FD_SET将fd赋到rset中。

system是一个C/C++的库函数，select是系统调用函数，以下是select的4个缺点：
1.单个进程可监视fd数量有限制（能监听端口的大小有限制）
3.需要维护一个用来存放大量fd的数据结构，这样使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大。
4.对socket进行扫描时是线性扫描，即采用轮询方法，效率低。

如下pollfds数组里有5个pollfd结构体struct，poll一切改进围绕pollfd结构体展开，采用pollfds数组替代bitmap（数组远远不止1024大小）。


epoll_wait函数执行中epfd（白板）是共享内存，不需要用户态切换到内核态。epoll中置位没有revevts标志位了，将有数据的fd（即触发了POLLIN事件）放到最前面。epoll_wait和前面select和poll不一样，有返回值。最后只遍历nfds，不需要轮询，时间复杂度为O(1)。epoll解决select的1，2，3，4。redis，nginx，javaNIO(linux)都用的是epoll。多路io复用借助了硬件上优势DMA。

2.硬盘，网口，套接字：inode

上面是硬盘（块，扇区，文件管理中inode记录的内容），下面是网卡。


除了tcp的套接字（客户端随机一端口来连服务端ip和指定端口，一般服务端端口专门指定如访问百度网页https默认443端口），还有很多unix底层套接字，如mysql本地连接localhost的3306，其实并不走tcp的套接字，而是走底层mysql目录下mysql.sock文件，直接走文件通过unix的底层套接字进行连接，所以数据库是本机的数据库访问速度更快。

3.IO相关的系统调用：strace

编程语言没有魔法，全部依赖操系os的支持，其中最强大的支持莫过于系统调用。






如上看出java比C语言系统调用多的多，因为java要启动jvm虚拟机，jvm要读jdk的lib库等很多操作。如上并没有发现open…xml操作，因为java程序主要启动jvm进程，jvm进程可能又起了很多线程去真正运行main函数，所以加-f。

4.Java中BIO：阻塞，多线程

package com.itheima.com;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
// 服务端两个socket，一个用于listen，一个用于connect
// 客户端一个socket用于connect  // bind，accept，read
public class qqserver {
    
    
    static byte[] bytes = new byte[1024];
    public static void main(String[] args) {
    
    
        try {
    
    
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8080));
            while(true) {
    
      // 一直接受客户端
                System.out.println("wait conn");

//11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
                Socket socket = serverSocket.accept(); //阻塞           
                // 不考虑多线程，BIO无法处理并发
                // 下面全部代码放thread1线程中，不影响上面主线程accept
                // 1000万线程里只有200万活跃，800万不活跃，线程上下文切换耗资源
                // 所以在服务端不活跃多，考虑单线程
                System.out.println("connect success");
                System.out.println("wait data");

//1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111                                   
                socket.getInputStream().read(bytes); //阻塞  read读了多少字节，如果第一个客户端不发消息，则一直停留在这
                System.out.println("data success");                
                String content = new String(bytes); //将bytes字节转为字符串
                System.out.println(content);
            }
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

package com.itheima.com;
import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;

public class client {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        try {
    
    
            Socket socket=new Socket("127.0.0.1",8080);
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            String txt = scanner.next();
            socket.getOutputStream().write(txt.getBytes());
            // socket.getOutputStream().write("111".getBytes());
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.Java中NIO：buffer就是一数组

很少自己去写NIO，但是一直在用NIO，因为netty，tomcat等基础网络框架都在用NIO，1.7之前是NIO，1.7之后是AIO或NIO2。在java中封了8种数据类型的buffer，像int buffer等。channel就是一入口，如我们把一个文件生成一个channel意思就是我要读这个文件，把这个文件内容读到buffer里，后面从buffer里拿出数据来就把文件内容读出来了。

下面是文件nio，没用到selector：

下面是网络nio，用到selector：每个channel比作tcp客户端连接，3个channel在整个socketserver创建时会注册到selector中，selector不断扫描下面的channel，一旦channel有数据就会处理，像io多路复用编程方式。

如上是NioTest1.java，下面看下系统调用，发现j2.out里有epoll_create，epoll_wait。

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