1.前言
此系列將盡可能詳細介紹斷更博客半年以來個人的一個成長，主要是對Netty的源碼的一個解讀記錄，將從整個計算機宏觀IO體系上，到Java的原生NIO例子最后到Netty的源碼解讀。不求完全掌握，但求知道前因后果，設計思路，來檢驗半年所學（之前是懶，水平不夠，現在寫博客查漏補缺）。介紹過程中所涉及的知識點可能有錯，請各位指教，相互學習。
2.為什么關注IO
簡而言之，就是為了程序執行快，當然現代程序的瓶頸IO只占了其中一部分。IO為什么成為了系統瓶頸呢，引用網上一篇博客（這里）對CPU、內存和磁盤等存儲介質的運行比較，這里簡要說明一下：
CPU的運行速度快的離譜，大部分簡單指令只要一個時鍾周期(操作系統是按時間片（幾十毫秒，不固定）運行程序的，這樣單核CPU就可以實現大的時間尺度上多個程序同時運行的假象)，一個時間周期1/3納秒，足以見CPU速度之快。把一個時間周期看做1秒，從主存中讀取數據就花了4分鍾，果斷不能忍啊，所以現代計算機在主存和CPU之間會構建多級高速緩存，L1、L2、L3等。CPU盡可能從L1獲取數據，只要3秒，L1盡可能從L2獲取數據，只要14秒，同樣L2->L3，L3->內存。這樣可以在有限的成本增加，大幅度提高CPU和主存的數據交互帶來的性能浪費。當然這會帶來而外的問題，比如什么數據應該放在L1、L2、L3中，另外一個帶來的問題就是內存可見性問題，Java中多線程volatile字段的含義（多線程中線程A、B持有同一個變量，A修改了這個變量，確實在主存中該變量被修改了，但是B修改的時候會產生線程安全問題，因為由於高速緩存的存在，B讀取該變量不是從主存中讀取的，而是從高速緩存中讀取，此時這個值並沒有更新，導致A的操作對B線程而言是不可見的。volatile字段的作用就在於強制從主存中獲取該變量的值，而不是高速緩存。當然這樣做只保證了可見性，即A線程操作對B線程可見，並不能保證線程安全，還需要保證操作的原子性，這里就不再多解釋）。
上述扯遠了，再來看內存獲取磁盤數據的速度，接上面的例子，大概是1年零3個月。納尼!!!1年零3個月獲取數據，CPU就工作了1秒?這就是IO對程序運行帶來的可怕的性能制約。阻塞式IO必須等待執行完IO操作，才能運行后面的操作，這對CPU性能是極大的浪費。雖然在時間片消耗完后CPU會切換到其它程序運行相關代碼，但是阻塞式IO帶來的性能浪費並沒有得到解決。所以我們才需要關注非阻塞式IO，讓程序繼續執行其它邏輯，等到IO操作完成后再執行相應的操作。IO的速度慢在尋道操作，即磁頭要先移動到正確的磁道上，然后磁盤旋轉到正確的位置上，讀取指定扇區的數據。RPM就是衡量磁盤的旋轉速度，越快耗時越少。另一個方式就是將文件連續存儲在磁盤上，這樣也就能節省尋道時間了，但實際上這種方式帶來的效果並不明顯，主要關注的還是單位時間上尋道和隨機IO操作次數，固態硬盤SSD在這方面做的就很好。還有一種方式就是硬盤的cache機制，其將一組零散的寫入操作合並成一個，磁盤控制寫入順序，進而減少尋道次數。一系列讀取操作也可以重組減少耗時。
3.現代IO操作模型
上面扯了那么多，說明了IO對CPU的性能的浪費，NIO的主要目的是減少這部分無效損耗，並沒有對IO所需要的耗時有太多作用。NIO的意思是非阻塞IO，其實現方式有多種，下面准備介紹一下目前IO的主要模型。
在介紹IO模型之前，首先要明白幾個概念，才會清楚為什么NIO可以減少CPU的性能浪費。現代操作系統為了保證系統的正確執行，分成了兩種操作模式：用戶模式和監督程序模式(內核模式)。這么做的原因是為了保護操作系統和用戶程序不受其它程序的影響，實現方法是：將能引起損害的機器指令作為特權指令，用戶執行特權指令的時候，硬件不會執行該指令，而是認為該指令是非法指令，會以陷阱的方式通知操作系統，由操作系統內核處理，最后轉交給用戶程序，IO操作就是一個特權指令。操作系統進程有其獨享的內核空間，用戶程序數據及相關內容放在用戶空間中，用戶發起一個IO請求，首先就會切換到內核模式，將數據讀取到內核空間中去，之后將這部分數據拷貝到用戶空間中，切換到用戶模式繼續執行用戶程序，這就是一個基本的IO流程。這里插入一段文件網絡傳輸零拷貝的知識：將文件通過網絡傳輸涉及了兩次IO，一次磁盤IO，一次網絡IO，由於上述所講的操作系統的安全策略，內核會先讀取文件數據到內核空間，再拷貝到用戶空間，傳輸到網絡中去的時候，又將數據從用戶空間拷貝到了內核空間，這造成了多次拷貝的浪費，實際上我們只需要將數據讀取到內核空間，直接傳輸到網絡中去就可以了。零拷貝的做法就是將文件描述符和網絡描述符同時交給內核，指示內核將文件描述符的內容全部傳輸給網絡通道中，這樣就達到了零拷貝的效果了。
有了上訴對操作系統的執行方式的了解，再來看IO模型就會比較好理解阻塞式IO和非阻塞式IO的區別，以及非阻塞式IO的好處了。下面介紹目前5種IO模型：
3.1 阻塞IO
阻塞式IO就是用戶發起IO請求->內核等待數據加載->內核加載數據完畢->拷貝內核空間數據到用戶空間->提醒用戶程序完成IO讀取操作。
整個過程種，用戶發起請求到最后一直都在等待內核處理好數據，之前也說過這段時間相對於CPU而言，執行是非常慢的，所以這段時間整個都是浪費了，一直處理等待之中。這就是阻塞式IO。
3.2 非阻塞IO
阻塞式IO的特點就是等待數據和拷貝數據兩段都被阻塞了，后面就產生了上圖這種非阻塞式IO了。這種思路就是不斷的詢問內核是否把數據准備好了，如果沒好就繼續詢問，好了就開始拷貝數據。這種方式拷貝數據階段也式阻塞的，但是畢竟是內存操作，不會很慢，但是關鍵問題在於前面的輪詢，這個過程也是非常消耗CPU的，並沒有達到多好的效果。
3.3 多路復用IO
IO multiplexing就是我們比較熟悉的select/epoll，也被稱為事件驅動IO。其可以在單個process中處理多個網絡連接。有一個專門的任務負責輪詢所有的socket，只要有一個socket有數據達到，就會通知用戶進程。當用戶進程調用了select，整個進程就會被block，內核會監視所有select負責的socket，當任何一個socket中的數據准備好了，select就會返回，用戶調用read操作，數據就會從內核拷貝到用戶進程。
該方法和阻塞式IO沒有太大不同，可能更差，這里有兩個系統調用，但是其優勢就在於能夠處理多個連接，所以說大量連接此種方式更加，少量連接可能多線程+阻塞式IO要更出色。這種方式用戶進程其實也是一直被block的，不過是被select阻塞而不是socketIO。因此select()與非阻塞IO類似。
實際上這個模型也有很多問題。如果連接數真的過多，select會消耗大量時間去輪詢各個句柄。epoll方式雖然能更高效，但是epoll方式受制於操作系統，跨平台困難。另外該模型將事件探測和事件響應混在了一起，如果事件響應執行過長，整個響應會延遲。通常使用事件驅動庫解決該問題libevent等。
Java的NIO就是基於select實現的。
3.4 信號驅動IO
信號驅動IO會注冊一個信號處理程序給內核，內核處理好了就會觸發該信號通知程序執行，最終處理數據。該方式真正做到第一階段的非阻塞，但是其不適合TCP協議。因為無法判斷該信號的具體含義，該信號產生的非常頻繁，UDP傳輸采取的較多。
3.5 異步IO
異步IO可以稱得上全程無阻塞，直到數據全部准備完成才會通知用戶執行后續操作。但是在netty上並沒有采取該種方式，其一是在linux系統上運行速度並沒有比epoll方式更快，其二是與Netty精心設計的線程模型相悖。windows系統實現了IOCP方式的異步IO，其是proactor模型。
3.6 總結
上訴5種IO模型，只有異步IO方式達到了完全的非阻塞，阻塞式IO則是完全阻塞。但是常用的還是復用IO的方式，設計的好足以媲美aio，而且aio在某些情況性能不如epoll方式，和其具體實現有關。select/epoll和aio造就了兩種設計模式，前者是reactor，后者就是proactor。
順帶一提，epoll就是用於解決select在大量連接時遍歷連接效率低下的問題，其是基於事件驅動，fd的限制數也遠大於1024。epoll_wait只會返回准備就緒的fd，使用nmap內存映射技術避免了內存復制的開銷。epoll還有個知識點就是edge-triggered和level-triggered，邊緣觸發和水平觸發。水平觸發指的是當准備就緒的fd沒有被用戶進程處理，下一次查詢仍會返回，這是select poll的觸發方式。邊緣觸發指的是無論准備好的fd有沒有被處理，下一次都不再返回。理論上邊緣觸發性能更高，但是實現非常復雜，任何意外的丟失事件都會造成請求處理錯誤。epoll默認使用水平觸發。
4.后記
本節粗略介紹一下IO的相關概念，以便更好理解NIO，下一章介紹JAVA的NIO實現，這里指的就是select poll方式，結合代碼，更易理解多路信號復用IO。select poll的真正含義。