摘要：最近在學習網絡編程和相關的知識，了解到是模式的網絡框架，但是提供了不同的來支持不同模式的網絡通信處理，包括同步異步阻塞和非阻塞。因為的版本使用的的模式，而則希望使用模式，而且版本沒有將的部分配置項暴露出來，比如說和。

??最近在學習Java網絡編程和Netty相關的知識，了解到Netty是NIO模式的網絡框架，但是提供了不同的Channel來支持不同模式的網絡通信處理，包括同步、異步、阻塞和非阻塞。學習要從基礎開始，所以我們就要先了解一下相關的基礎概念和Java原生的NIO。這里，就將最近我學習的知識總結一下，以供大家了解。
?為了節約你的時間，本文主要內容如下：

異步，阻塞的概念

操作系統I/O的類型

Java NIO的底層實現

?同步和異步關注的是消息通信機制，所謂同步就是調用者進行調用后，在沒有得到結果之前，該調用一直不會返回，但是一旦調用返回，就得到了返回值，同步就是指調用者主動等待調用結果；而異步則相反，執行調用之后直接返回，所以可能沒有返回值，等到有返回值時，由被調用者通過狀態，通知來通知調用者．異步就是指被調用者來通知調用者調用結果就緒．所以，二者在消息通信機制上有所不同，一個是調用者檢查調用結果是否就緒，一個是被調用者通知調用者結果就緒
?阻塞和非阻塞關注的是程序在等待調用結果(消息，返回值)時的狀態．阻塞調用是指在調用結果返回之前，當前線程會被掛起，調用線程只有在得到結果之后才會繼續執行．非阻塞調用是指在不能立刻得到結構之前，調用線程不會被掛起，還是可以執行其他事情．
?兩組概念相互組合就有四種情況，分別是同步阻塞，同步非阻塞，異步阻塞，異步非阻塞．我們來舉個例子來分別類比上訴四種情況．
?比如你要從網上下載一個1G的文件，按下下載按鈕之后，如果你一直在電腦旁邊，等待下載結束，這種情況就是同步阻塞；如果你不需要一直呆在電腦旁邊，你可以去看一會書，但是你還是隔一段時間來查看一下下載進度，這種情況就是同步非阻塞；如果你一直在電腦旁邊，但是下載器在下載結束之后會響起音樂來提醒你，這就是異步阻塞；但是如果你不呆在電腦旁邊，去看書，下載器下載結束后響起音樂來提醒你，那么這種情況就是異步非阻塞．

?知道上述兩組概念之后，我們來看一下Unix下可用的5種I/O模型：

阻塞I/O(bloking IO)

非阻塞I/O(nonblocking IO)

多路復用I/O(IO multiplexing)

信號驅動I/O(signal driven IO)

異步I/O(asynchronous IO)

?前４種都是同步，只有最后一種是異步I/O.需要注意的是Java NIO依賴于Unix系統的多路復用I/O,對于I/O操作來說，它是同步I/O，但是對于編程模型來說，它是異步網絡調用.下面我們就以系統read的調用來介紹不同的I/O類型．
?當一個read發生時，它會經歷兩個階段:

1 等待數據準備

2 將數據從內核內存空間拷貝到進程內存空間中

?不同的I/O類型，在這兩個階段中有不同的行為．但是由于這塊內容比較多，而且多為表述性的知識，所以這里我們只給出幾張圖片來解釋，感覺興趣的同學可以去具體了解一下。

?我們都知道Netty通過JNI的方式提供了Native Socket Transport，為什么Netty要提供自己的Native版本的NIO呢？明明Java NIO底層也是基于epoll調用(最新的版本)的．這里，我們先不明說，大家想一想可能的情況．下列的源碼都來自于OpenJDK-8u40-b25版本．

?如果我們順著Selector.open()方法一個類一個類的找下去，很容易就發現Selector的初始化是由DefaultSelectorProvider根據不同操作系統平臺生成的不同的SelectorProvider，對于Linux系統，它會生成EPollSelectorProvider實例，而這個實例會生成EPollSelectorImpl作為最終的Selector實現．

class EPollSelectorImpl extends SelectorImpl
{
    .....
    // The poll object
    EPollArrayWrapper pollWrapper;
    .....
    EPollSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
        .....
        pollWrapper = new EPollArrayWrapper();
        pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1);
        .....
    }
    .....
}

?EpollArrayWapper將Linux的epoll相關系統調用封裝成了native方法供EpollSelectorImpl使用．

    private native int epollCreate();
    private native void epollCtl(int epfd, int opcode, int fd, int events);
    private native int epollWait(long pollAddress, int numfds, long timeout,
                                 int epfd) throws IOException;

?上述三個native方法就對應Linux下epoll相關的三個系統調用

//創建一個epoll句柄，size是這個監聽的數目的最大值．
int epoll_create(int size);
//事件注冊函數，告訴內核epoll監聽什么類型的事件，參數是感興趣的事件類型，回調和監聽的fd
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//等待事件的產生，類似于select調用，events參數用來從內核得到事件的集合
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);

?所以，我們會發現在EpollArrayWapper的構造函數中調用了epollCreate方法，創建了一個epoll的句柄．這樣，Selector對象就算創造完畢了．

?與open類似，ServerSocketChannel的register函數底層是調用了SelectorImpl類的register方法，這個SelectorImpl就是EPollSelectorImpl的父類．

protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
                                      int ops,
                                      Object attachment)
{
    if (!(ch instanceof SelChImpl))
        throw new IllegalSelectorException();
    //生成SelectorKey來存儲到hashmap中，一共之后獲取
    SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
    //attach用戶想要存儲的對象
    k.attach(attachment);
    //調用子類的implRegister方法
    synchronized (publicKeys) {
        implRegister(k);
    }
    //設置關注的option
    k.interestOps(ops);
    return k;
}

?EpollSelectorImpl的相應的方法實現如下，它調用了EPollArrayWrapper的add方法，記錄下Channel所對應的fd值,然后將ski添加到keys變量中．在EPollArrayWrapper中有一個byte數組eventLow記錄所有的channel的fd值.

    protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
        if (closed)
            throw new ClosedSelectorException();
        SelChImpl ch = ski.channel;
        //獲取Channel所對應的fd,因為在linux下socket會被當作一個文件，也會有fd
        int fd = Integer.valueOf(ch.getFDVal());
        fdToKey.put(fd, ski);
        //調用pollWrapper的add方法,將channel的fd添加到監控列表中
        pollWrapper.add(fd);
        //保存到HashSet中，keys是SelectorImpl的成員變量
        keys.add(ski);
    }

?我們會發現,調用register方法并沒有涉及到EpollArrayWrapper中的native方法epollCtl的調用,這是因為他們將這個方法的調用推遲到Select方法中去了.

?和register方法類似,SelectorImpl中的select方法最終調用了其子類EpollSelectorImpl的doSelect方法

protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
    .....
    try {
        ....
        //調用了poll方法,底層調用了native的epollCtl和epollWait方法
        pollWrapper.poll(timeout);
    } finally {
        ....
    }
    ....
    //更新selectedKeys,為之后的selectedKeys函數做準備
    int numKeysUpdated = updateSelectedKeys();
    ....
    return numKeysUpdated;
}

?由上述的代碼，可以看到，EPollSelectorImpl先調用EPollArrayWapper的poll方法,然后在更新SelectedKeys．其中poll方法會先調用epollCtl來注冊先前在register方法中保存的Channel的fd和感興趣的事件類型，然后epollWait方法等待感興趣事件的生成,導致線程阻塞.

int poll(long timeout) throws IOException {
    updateRegistrations(); ////先調用epollCtl,更新關注的事件類型
    ////導致阻塞，等待事件產生
    updated = epollWait(pollArrayAddress, NUM_EPOLLEVENTS, timeout, epfd);
    .....
    return updated;
}

?等待關注的事件產生之后(或在等待時間超過預先設置的最大時間),epollWait函數就會返回.select函數從阻塞狀態恢復.

?我們先來看SelectorImpl中的selectedKeys方法.

//是通過Util.ungrowableSet生成的,不能添加,只能減少
private Set publicSelectedKeys;
public Set selectedKeys() {
    ....
    return publicSelectedKeys;
}

?很奇怪啊,怎麼直接就返回publicSelectedKeys了,難道在select函數的執行過程中有修改過這個變量嗎?
?publicSelectedKeys這個對象其實是selectedKeys變量的一份副本,你可以在SelectorImpl的構造函數中找到它們倆的關系,我們再回頭看一下select中updateSelectedKeys方法.

private int updateSelectedKeys() {
    //更新了的keys的個數,或在說是產生的事件的個數
    int entries = pollWrapper.updated; 
    int numKeysUpdated = 0;
    for (int i=0; i
后記
?看到這里,詳細大家都已經了解到了NIO的底層實現了吧.這里我想在說兩個問題.
?一是為什么Netty自己又從新實現了一邊native相關的NIO底層方法? 聽聽Netty的創始人是怎麼說的吧鏈接。因為Java的版本使用的epoll的level-triggered模式，而Netty則希望使用edge-triggered模式，而且Java版本沒有將epoll的部分配置項暴露出來，比如說TCP_CORK和SO_REUSEPORT。
?二是看這么多源碼,花費這么多時間有什么作用呢?我感覺如果從非功利的角度來看,那么就是純粹的希望了解的更多,有時候看完源碼或在理解了底層原理之后,都會用一種恍然大悟的感覺,比如說AQS的原理.如果從目的性的角度來看,那么就是你知道底層原理之后,你的把握性就更強了,如果出了問題,你可以更快的找出來,并且解決.除此之外,你還可以按照具體的現實情況,以源碼為模板在自己造輪子,實現一個更加符合你當前需求的版本.
?后續如果有時間,我希望好好了解一下epoll的操作系統級別的實現原理.