1.1.1 Linux网络I/O模型简介

Linux的内核将所有外部设备都看做一个文件来操作，对一个文件的读写操作会调用内核提供的系统命令，返回一个file descriptor（fd，文件描述符）。而对一个socket的读写也会有相应的描述符，称为socketfd（socket描述符），描述符就是一个数字，它指向内核中的一个结构体（文件路径，数据区等一些属性）。

根据UNIX网络编程对I/O模型的分类，UNIX提供了5种I/O模型，分别如下。

（1）阻塞I/O模型：最常用的I/O模型就是阻塞I/O模型，缺省情形下，所有文件操作都是阻塞的。我们以套接字接口为例来讲解此模型：在进程空间中调用recvfrom，其系统调用直到数据包到达且被复制到应用进程的缓冲区中或者发生错误时才返回，在此期间一直会等待，进程在从调用recvfrom开始到它返回的整段时间内都是被阻塞的，因此被称为阻塞I/O模型，如图1-1所示。

（2）非阻塞I/O模型：recvfrom从应用层到内核的时候，如果该缓冲区没有数据的话，就直接返回一个EWOULDBLOCK错误，一般都对非阻塞I/O模型进行轮询检查这个状态，看内核是不是有数据到来。如图1-2所示。

图1-1 阻塞I/O模型

图1-2 非阻塞I/O模型

（3）I/O复用模型：Linux提供select/poll，进程通过将一个或多个fd传递给select或poll系统调用，阻塞在select操作上，这样select/poll可以帮我们侦测多个fd是否处于就绪状态。select/poll是顺序扫描fd是否就绪，而且支持的fd数量有限，因此它的使用受到了一些制约。Linux还提供了一个epoll系统调用，epoll使用基于事件驱动方式代替顺序扫描，因此性能更高。当有fd就绪时，立即回调函数rollback。如图1-3所示。

（4）信号驱动I/O模型：首先开启套接口信号驱动I/O功能，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数（此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的）。当数据准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知应用程序调用recvfrom来读取数据，并通知主循环函数处理数据。如图1-4所示。

图1-3 I/O复用模型

图1-4 信号驱动I/O模型

（5）异步I/O：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后（包括将数据从内核复制到用户自己的缓冲区）通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别是：信号驱动I/O由内核通知我们何时可以开始一个I/O操作；异步I/O模型由内核通知我们I/O操作何时已经完成。如图1-5所示。

图1-5 异步I/O模型

如果想要了解更多的UNIX系统网络编程知识，可以阅读《UNIX网络编程》，里面有非常详细的原理和API介绍。对于大多数Java程序员来说，不需要了解网络编程的底层细节，大家只需要有个概念，知道对于操作系统而言，底层是支持异步I/O通信的，只不过在很长一段时间Java并没有提供异步I/O通信的类库，导致很多原生的Java程序员对这块儿比较陌生。当你了解了网络编程的基础知识后，理解Java的NIO类库就会更加容易一些。

下一个小结我们重点讲下I/O多路复用技术，因为Java NIO的核心类库多路复用器Selector就是基于epoll的多路复用技术实现。