面试题：网络编程之Netty内核IO模型基础

Question

请简要阐述Netty中常用的IO模型（如BIO、NIO、AIO），并说明从内核角度看，NIO是如何实现多路复用的？

Answer 1

1. Netty 中常用的IO模型

• BIO（Blocking I/O，阻塞式I/O）：
  • 工作方式：在传统BIO模型中，一个客户端连接对应一个服务器端线程。当客户端发起连接请求，服务器端线程在处理该连接的输入输出操作时会处于阻塞状态，直到数据传输完成。例如，在一个简单的Socket通信中，ServerSocket 监听端口，每当有新连接进来，就会创建一个新的 Thread 来处理这个连接的读写操作。在 read 方法调用时，如果没有数据可读，线程就会一直阻塞等待。
  • 缺点：这种模型在高并发场景下性能较差，因为线程资源是有限的，大量客户端连接会导致线程数量剧增，从而消耗大量系统资源，并且线程上下文切换也会带来额外开销。
• NIO（Non - Blocking I/O，非阻塞式I/O）：
  • 工作方式：NIO是基于缓冲区（Buffer）和通道（Channel）进行操作的。通道可以异步地读写数据，一个线程可以管理多个通道。例如，ServerSocketChannel 可以监听新的连接，SocketChannel 用于数据传输。在NIO中，read 和 write 操作不会阻塞线程，如果没有数据可读或可写，这些方法会立即返回，线程可以继续执行其他任务。同时，NIO引入了选择器（Selector），它可以管理多个通道，通过 select 方法阻塞等待感兴趣的事件（如连接就绪、读就绪、写就绪等）发生。
  • 优点：相比BIO，NIO更适合高并发场景，通过减少线程数量，降低了系统资源的消耗，提高了系统的并发处理能力。
• AIO（Asynchronous I/O，异步I/O）：
  • 工作方式：AIO也叫NIO.2，是异步非阻塞的I/O模型。与NIO不同的是，AIO的读写操作完全是异步的。当发起一个I/O操作时，调用者可以立即返回，无需像NIO那样轮询检查操作是否完成。操作系统会在I/O操作完成后通知应用程序。例如，在AIO中，AsynchronousSocketChannel 的 read 操作可以传入一个 Future<Integer> 或者一个 CompletionHandler，当I/O操作完成时，Future 会得到结果，或者 CompletionHandler 的回调方法会被调用。
  • 优点：AIO进一步提升了系统在高并发场景下的性能，真正实现了异步操作，应用程序可以更加专注于业务逻辑，而无需关心I/O操作的状态。

2. 从内核角度看NIO多路复用的实现

• 多路复用技术：NIO中的多路复用主要通过选择器（Selector）实现，在Linux内核层面，常见的多路复用系统调用有 select、poll 和 epoll。
  • select：它通过一个 fd_set 结构体来管理一组文件描述符（对应NIO中的通道），select 函数会阻塞等待其中任何一个文件描述符上有感兴趣的事件发生。当 select 返回时，应用程序需要遍历整个 fd_set 来找出哪些文件描述符上发生了事件。这种方式的缺点是 fd_set 有最大文件描述符数量限制（通常是1024），并且每次遍历都需要消耗一定的时间，在高并发场景下效率较低。
  • poll：与 select 类似，但它使用 pollfd 结构体数组来管理文件描述符，没有了文件描述符数量的限制。不过，它同样需要在返回时遍历整个数组来确定发生事件的文件描述符，在高并发下性能依然不够理想。
  • epoll：这是Linux 2.6内核引入的高效多路复用机制。它通过 epoll_create 创建一个 epoll 实例，通过 epoll_ctl 向这个实例中添加、修改或删除需要监听的文件描述符及其感兴趣的事件。epoll_wait 函数用于阻塞等待事件发生。与 select 和 poll 不同的是，epoll 使用事件驱动机制，当有事件发生时，内核会将发生事件的文件描述符直接返回给应用程序，无需遍历所有文件描述符，大大提高了效率，非常适合高并发场景。在NIO中，Selector 在Linux系统上底层默认使用 epoll 实现（如果操作系统支持），从而实现高效的多路复用。