I/O（INPUTOUTPUT），包括文件I/O，网络I/O。计算机世界里的速度鄙视：内存读取数据：纳秒级。千兆网卡读取数据：微秒级。1微秒=1000纳秒，网卡比内存慢一千倍。磁盘读取数据：毫秒级。1毫秒=10万纳秒，硬盘比内存慢10万倍。CPU的一个时钟周期大概是1纳秒，内存离CPU比较近，其他的等不起。CPU处理数据的速度远远快于I/O准备数据的速度。任何编程语言都会遇到这种CPU处理速度和I/O速度不匹配的情况！网络编程中如何优化网络I/O：如何高效利用CPU进行网络数据处理？？？首先，来自HowdoyouunderstandnetworkI/Oattheoperatingsystemsystem?的相关概念？计算机世界有一套自己定义的概念。如果不理解这些概念，就无法真正理解技术的设计思想和本质。所以在我看来，这些概念是理解技术和计算世界的基础。1.同步与异步，阻塞与非阻塞了解网络I/O绕不开的话题：同步与异步，阻塞与非阻塞。以山治开水为例（山治的行为就像一个用户程序，而开水就像是内核提供的系统调用），这两组概念可以这样翻译成白话。同步/异步关注点是水烧开后我是否需要处理。阻塞/非阻塞关注的是在水烧开的这段时间里有没有做其他事情。(1)点火同步挡后，傻等，等到开水(挡)，开水关火(同步)，坚决不干。(2)同步无堵点火后，看电视(无堵)，不时检查水是否开，关水后关火(同步)。(3)异步阻塞按下开关后，傻等水开(阻塞)，水开后自动切断电源(异步)。网络编程中不存在的模型。(4)异步非阻塞按下开关后干什么（非阻塞），水烧开后自动断电（异步）。2.内核空间和用户空间内核负责读写网络和文件数据。用户程序通过系统调用获取网络和文件数据。(1)内核态用户态程序必须进行系统调用来读写数据。通过系统调用接口，线程从用户态切换到内核态，内核读写数据后，再切换回来。进程或线程的不同空间状态。(2)线程切换用户态和内核态的切换比较耗时和耗资源(内存、CPU)优化建议：切换共享空间少3.套接字——套接字只能用于网络编程。应用程序通过系统调用socket()建立连接、接收和发送数据（I/O）。SOCKET支持非阻塞，让应用程序可以非阻塞地调用，只有支持异步，应用程序才能异步调用4、文件描述符——FD句柄网络编程需要知道FD？它是一个文件，FD是对文件的引用。就像JAVA中的一切都是对象？程序中的操作就是对象的引用。JAVA中创建对象的数量是有内存限制的，FD的数量也是有限制的。Linux在处理文件和网络连接时，需要打开和关闭FD。每个进程都会有一个默认的FD：0标准输入stdin1标准输出stdout2错误输出stderr5。服务器处理网络请求的过程连接建立后，等待数据准备好（CPU空闲）从内核拷贝数据到进程（CPU空闲）如何优化？对于一次I/O访问（以read为例），数据会先被复制到操作系统内核的缓冲区中，然后再从操作系统内核的缓冲区中复制到应用程序的地址空间中。因此，当发生读取操作时，它会经历两个阶段：等待数据就绪。将数据从内核复制到进程（Copyingthedatafromthekerneltotheprocess）。也正是因为这两个阶段，在Linux系统升级迭代中出现了以下三种网络模式方案。二、I/O模型1.BlockingI/O——BlockingI/O简介：最原始的网络I/O模型。该过程将阻塞，直到数据复制完成。缺点：高并发时，server和client点对点连接，线程过多带来的问题：CPU资源浪费，上下文切换。内存成本呈几何级数增长，一个JVM线程的成本约为1MB。publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketss=newServerSocket();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));intidx=0;while(true){finalSocketsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"thread["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(Socketsocket){byte[]bytes=newbyte[1024];try{StringserverMsg="serversss[Thread:"+Thread.currentThread().getName()+"]";socket.getOutputStream().write(serverMsg.getBytes());//阻塞方法socket.getOutputStream()。flush();}catch(Exceptione){e.printStackTrace();}}2.Non-blockingI/O-NonBlockingIO简介：进程反复调用系统并立即返回结果。缺点：当进程有1000fds时，代表用户进程轮询会导致系统调用内核1000次，用户态和内核态的切换会成倍增加成本。publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelss=ServerSocketChannel.open();ss.bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));System.out.println("NIOserverstarted...");ss。configureBlocking(false);intidx=0;while(true){finalSocketChannelsocket=ss.accept();//阻塞方法newThread(()->{handle(socket);},"Thread["+idx+"]").start();}}staticvoidhandle(SocketChannelsocket){try{socket.configureBlocking(false);ByteBufferbyteBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);socket.read(byteBuffer);byteBuffer.flip();System.out.println("请求:"+newString(byteBuffer.array()));Stringresp="服务器响应";byteBuffer.get(resp.getBytes());socket.write(byteBuffer);}catch(IOExceptione){e.printStackTrace();}}3。I/O多路复用——IO多路复用简介：单个线程可以同时处理多个网络连接。内核负责轮询所有套接字，当某个套接字有数据到达时，通知用户进程。Multiplexing在Linux内核代码的迭代过程中依次支持三种调用，即SELECT、POLL和EPOLL，三种多路复用的网络I/O模型。下面将画图结合Java代码讲解。(1)I/O多路复用介绍——select：连接请求到达时检查并处理。缺点：句柄上限——默认开启的fd有1024个限制。重复初始化——每次调用select()时，需要将fd集合从用户态复制到内核态，内核遍历。一一检查所有FD状态效率不高。server端的select就像一条布满socket的条带，client端的connection连接其中一个socket，建立一个channel，然后在channel中依次注册读写事件。记得在处理完ready,read,write事件的时候删除，不然下次可以处理。publicstaticvoidmain(String[]args)throwsIOException{ServerSocketChannelssc=ServerSocketChannel.open();//管道ServerSocketssc.socket().bind(newInetSocketAddress(Constant.HOST,Constant.PORT));ssc.configureBlocking(false);//设置非阻塞System.out.println("NIOsingleserverstarted,listeningon:"+ssc.getLocalAddress());Selectorselector=Selector.open();ssc.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);//在已建立的管道上，已注册的事件已准备就绪=it.next();it.remove();//必须删除处理过的事件handle(key);}}}privatestaticvoidhandle(SelectionKeykey)throwsIOException{if(key.isAcceptable()){ServerSocketChannelssc=(ServerSocketChannel)key.channel();SocketChannelsc=ssc.accept();sc.configureBlocking(false);//设置非阻塞sc.register(key.selector(),SelectionKey.OP_READ);//在已建立的管道上，前夕注册的nts是可读的}elseif(key.isReadable()){//flipSocketChannelsc=null;sc=(SocketChannel)key.channel();ByteBufferbuffer=ByteBuffer.allocate(512);buffer.clear();intlen=sc.read(buffer);if(len!=-1){System.out.println(""+Thread.currentThread().getName()+"]recv:"+newString(buffer.array(),0,len));}ByteBufferbufferToWrite=ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes());sc.write(bufferToWrite);}}2.3.2I/O多路复用——poll介绍：设计一种新的数据结构（链表）提供效率poll与select相比，本质上变化不大，但是poll没有select方法上的限制文件描述符的最大数量。缺点：一一检查所有FD状态效率不高。2.3.3I/O多路复用——epoll介绍：fds的个数没有限制，只需要从用户态复制到内核态一次，使用事件通知机制触发。通过epoll_ctl注册fd。一旦fd就绪，就会通过callback回调机制激活对应的fd，进行相关的I/O操作。缺点：跨平台，linux支持复杂同步最好的底层实现(null,newCompletionHandler
