簡介： 本文從操作系統實際調用角度（以CentOS Linux release 7.5操作系統為示例），力求追根溯源看IO的每一步操作到底發生了什么。
作者 | 道堅
來源 | 阿里技術公眾號
前言
本文從操作系統實際調用角度（以CentOS Linux release 7.5操作系統為示例），力求追根溯源看IO的每一步操作到底發生了什么。
關於如何查看系統調用，Linux可以使用 strace 來查看任何軟件的系統調動（這是個很好的分析學習方法）：strace -ff -o ./out java TestJava
一 BIO
/** * Alipay.com Inc. Copyright (c) 2004-2020 All Rights Reserved. */ package io; import java.io.*; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; /** * @author xiangyong.ding * @version $Id: TestSocket.java, v 0.1 2020年08月02日 20:56 xiangyong.ding Exp $ */ public class BIOSocket { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8090); System.out.println("step1: new ServerSocket "); while (true) { Socket client = serverSocket.accept(); System.out.println("step2: client\t" + client.getPort()); new Thread(() -> { try { InputStream in = client.getInputStream(); BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in)); while (true) { System.out.println(reader.readLine()); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }).start(); } } }1 發生的系統調用
啟動時
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 5 bind(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 listen(5, 50) = 0 poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1) = 1 ([{fd=5, revents=POLLIN}])poll函數會阻塞直到其中任何一個fd發生事件。
有客戶端連接后
accept(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(10253), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 6 clone(child_stack=0x7f013e5c4fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f013e5c59d0, tls=0x7f013e5c5700, child_tidptr=0x7f013e5c59d0) = 13168 poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1拋出線程（即我們代碼里的 new Thread() ）后，繼續poll阻塞等待連接。
clone出來的線程
recvfrom(6, "hello,bio\n", 8192, 0, NULL, NULL) =關於對recvfrom函數的說明，其中第四個參數0 表示這是一個阻塞調用。
客戶端發送數據后
recvfrom(6, "hello,bio\n", 8192, 0, NULL, NULL) = 102 優缺點
優點
代碼簡單，邏輯清晰。
缺點
- 由於stream的read操作是阻塞讀，面對多個連接時 每個連接需要每線程。無法處理大量連接（C10K問題）。
- 誤區：可見JDK1.8中對於最初的BIO，在Linux OS下仍然使用的poll，poll本身也是相對比較高效的多路復用函數（支持非阻塞、多個socket同時檢查event），只是限於JDK最初的stream API限制，無法支持非阻塞讀取。
二 NIO（non block）
改進：使用NIO API，將阻塞變為非阻塞， 不需要大量線程。
/** * Alipay.com Inc. Copyright (c) 2004-2020 All Rights Reserved. */ package io; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.LinkedList; /** * @author xiangyong.ding * @version $Id: NioSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 11:25 xiangyong.ding Exp $ */ public class NIOSocket { private static LinkedList< SocketChannel> clients = new LinkedList<>(); private static void startClientChannelHandleThread(){ new Thread(() -> { while (true){ ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096); //處理客戶端連接 for (SocketChannel c : clients) { // 非阻塞, >0 表示讀取到的字節數量, 0或-1表示未讀取到或讀取異常 int num = 0; try { num = c.read(buffer); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } if (num > 0) { buffer.flip(); byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()]; //從緩沖區 讀取到內存中 buffer.get(clientBytes); System.out.println(c.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes)); //清空緩沖區 buffer.clear(); } } } }).start(); } public static void main(String[] args) throws IOException { //new socket,開啟監聽 ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open(); socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); //設置阻塞接受客戶端連接 socketChannel.configureBlocking(true); //開始client處理線程 startClientChannelHandleThread(); while (true) { //接受客戶端連接; 非阻塞，無客戶端返回null(操作系統返回-1) SocketChannel client = socketChannel.accept(); if (client == null) { //System.out.println("no client"); } else { //設置讀非阻塞 client.configureBlocking(false); int port = client.socket().getPort(); System.out.println("client port :" + port); clients.add(client); } } } }1 發生的系統調用
主線程
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4 bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 listen(4, 50) = 0 fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0 accept(4, 0x7fe26414e680, 0x7fe26c376710) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)有連接后，子線程
read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) ...資源使用情況：
2 優缺點
優點
線程數大大減少。
缺點
需要程序自己掃描 每個連接read，需要 O(n)時間復雜度系統調用 （此時可能只有一個連接發送了數據），高頻系統調用（導致CPU 用戶態內核態切換）高。導致CPU消耗很高。
三 多路復用器（select、poll、epoll）
改進：不需要用戶掃描所有連接，由kernel 給出哪些連接有數據，然后應用從有數據的連接讀取數據。
1 epoll
import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.util.Iterator; import java.util.LinkedList; import java.util.Set; /** * 多路復用socket * * @author xiangyong.ding * @version $Id: MultiplexingSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 12:19 xiangyong.ding Exp $ */ public class MultiplexingSocket { static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096); public static void main(String[] args) throws Exception { LinkedList< SocketChannel> clients = new LinkedList<>(); //1.啟動server //new socket,開啟監聽 ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open(); socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090)); //設置非阻塞，接受客戶端 socketChannel.configureBlocking(false); //多路復用器（JDK包裝的代理，select /poll/epoll/kqueue） Selector selector = Selector.open(); //java自動代理，默認為epoll //Selector selector = PollSelectorProvider.provider().openSelector();//指定為poll //將服務端socket 注冊到 多路復用器 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //2. 輪訓多路復用器 // 先詢問有沒有連接,如果有則返回數量以及對應的對象(fd) while (selector.select() > 0) { System.out.println(); Set< SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator< SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); //2.1 處理新的連接 if (key.isAcceptable()) { //接受客戶端連接; 非阻塞，無客戶端返回null(操作系統返回-1) SocketChannel client = socketChannel.accept(); //設置讀非阻塞 client.configureBlocking(false); //同樣，把client也注冊到selector client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); System.out.println("new client : " + client.getRemoteAddress()); } //2.2 處理讀取數據 else if (key.isReadable()) { readDataFromSocket(key); } } } } protected static void readDataFromSocket(SelectionKey key) throws Exception { SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); // 非阻塞, >0 表示讀取到的字節數量, 0或-1表示未讀取到或讀取異常 // 請注意：這個例子降低復雜度，不考慮報文大於buffer size的情況 int num = socketChannel.read(buffer); if (num > 0) { buffer.flip(); byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()]; //從緩沖區 讀取到內存中 buffer.get(clientBytes); System.out.println(socketChannel.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes)); //清空緩沖區 buffer.clear(); } } }2 發生的系統調用
啟動
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4 bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 listen(4, 50) fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0 epoll_create(256) = 7 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=4324783852322029573}}) = 0 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 4, {EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}) = 0 epoll_wait(7關於對epoll_create（對應着Java的 Selector selector = Selector.open()） 的說明，本質上是在內存的操作系統保留區，創建一個epoll數據結構。用於后面當有client連接時，向該epoll區中添加監聽。
有連接
epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}], 8192, -1) = 1 accept(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(29597), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 8 fcntl(8, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}) = 0關於epoll_ctl （對應着Java的 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ) ）。其中 EPOLLIN 恰好對應着Java的 SelectionKey.OP_READ 即監聽數據到達讀取事件。
客戶端發送數據
epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}], 8192, -1) = 1 read(8, "hello,multiplex\n", 4096) = 16 epoll_wait(7,note：epoll_wait第四個參數-1表示block。
poll 和 epoll 對比
根據“1.BIO”中的poll函數調用和epoll函數對比如下：
poll和epoll本質上都是同步IO， 區別於BIO的是 多路復用充分降低了 system call，而epoll更進一步，再次降低了system call的時間復雜度。
3 優缺點
優點
- 線程數同樣很少，甚至可以把acceptor線程和worker線程使用同一個。
- 時間復雜度低，Java實現的Selector（在Linux OS下使用的epoll函數）支持多個clientChannel事件的一次性獲取，且時間復雜度維持在O(1)。
- CPU使用低：得益於Selector，我們不用向 “2.NIO”中需要自己一個個ClientChannel手動去檢查事件，因此使得CPU使用率大大降低。
缺點
- 數據處理麻煩：目前socketChannel.read 讀取數據完全是基於字節的，當我們需要需要作為HTTP服務網關時，對於HTTP協議的處理完全需要自己解析，這是個龐大、煩雜、容易出錯的工作。
-
性能
- 現有socket數據的讀取（socketChannel.read(buffer)）全部通過一個buffer 緩沖區來接受，一旦連接多起來，這無疑是一個單線程讀取，性能無疑是個問題。
- 那么此時buffer我們每次讀取都重新new出來呢？如果每次都new出來，這樣的內存碎片對於GC無疑是一場災難。如何平衡地協調好buffer的共享，既保證性能，又保證線程安全，這是個難題。
四 Netty
1 研究的目標源碼（netty提供的入門example）
TelnetServer
package telnet; import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap; import io.netty.channel.EventLoopGroup; import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup; import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel; import io.netty.handler.logging.LogLevel; import io.netty.handler.logging.LoggingHandler; import io.netty.handler.ssl.SslContext; import io.netty.handler.ssl.SslContextBuilder; import io.netty.handler.ssl.util.SelfSignedCertificate; /** * Simplistic telnet server. */ public final class TelnetServer { static final boolean SSL = System.getProperty("ssl") != null; static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", SSL? "8992" : "8023")); public static void main(String[] args) throws Exception { // Configure SSL. final SslContext sslCtx; if (SSL) { SelfSignedCertificate ssc = new SelfSignedCertificate(); sslCtx = SslContextBuilder.forServer(ssc.certificate(), ssc.privateKey()).build(); } else { sslCtx = null; } EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); b.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)) .childHandler(new TelnetServerInitializer(sslCtx)); b.bind(PORT).sync().channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } } }TelnetServerHandler
package telnet;
import io.netty.channel.ChannelFuture; import io.netty.channel.ChannelFutureListener; import io.netty.channel.ChannelHandler.Sharable; import io.netty.channel.ChannelHandlerContext; import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler; import java.net.InetAddress; import java.util.Date; /** * Handles a server-side channel. */ @Sharable public class TelnetServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler< String> { @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { // Send greeting for a new connection. ctx.write("Welcome to " + InetAddress.getLocalHost().getHostName() + "!\r\n"); ctx.write("It is " + new Date() + " now.\r\n"); ctx.flush(); } @Override public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String request) throws Exception { // Generate and write a response. String response; boolean close = false; if (request.isEmpty()) { response = "Please type something.\r\n"; } else if ("bye".equals(request.toLowerCase())) { response = "Have a good day!\r\n"; close = true; } else { response = "Did you say '" + request + "'?\r\n"; } // We do not need to write a ChannelBuffer here. // We know the encoder inserted at TelnetPipelineFactory will do the conversion. ChannelFuture future = ctx.write(response); // Close the connection after sending 'Have a good day!' // if the client has sent 'bye'. if (close) { future.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE); } } @Override public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) { ctx.flush(); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }TelnetServerInitializer
package telnet; import io.netty.channel.ChannelInitializer; import io.netty.channel.ChannelPipeline; import io.netty.channel.socket.SocketChannel; import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder; import io.netty.handler.codec.Delimiters; import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder; import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder; import io.netty.handler.ssl.SslContext; /** * Creates a newly configured {@link ChannelPipeline} for a new channel. */ public class TelnetServerInitializer extends ChannelInitializer< SocketChannel> { private static final StringDecoder DECODER = new StringDecoder(); private static final StringEncoder ENCODER = new StringEncoder(); private static final TelnetServerHandler SERVER_HANDLER = new TelnetServerHandler(); private final SslContext sslCtx; public TelnetServerInitializer(SslContext sslCtx) { this.sslCtx = sslCtx; } @Override public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline(); if (sslCtx != null) { pipeline.addLast(sslCtx.newHandler(ch.alloc())); } // Add the text line codec combination first, pipeline.addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(8192, Delimiters.lineDelimiter())); // the encoder and decoder are static as these are sharable pipeline.addLast(DECODER); pipeline.addLast(ENCODER); // and then business logic. pipeline.addLast(SERVER_HANDLER); } }2 啟動后的系統調用
主線程(23109)
## 256無實際作用，這里只為了兼容舊版kernel api epoll_create(256) = 7epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=5477705356928876549}}) = 0 epoll_create(256) = 10epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=17041805914081853448}}) = 0 epoll_create(256) = 13 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 11, {EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}) = 0 epoll_create(256) = 16 epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 14, {EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}) = 0 epoll_create(256) = 19 epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 17, {EPOLLIN, {u32=17, u64=17042561450368827409}}) = 0 epoll_create(256) = 10 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 20 clone(child_stack=0x7fc3c509afb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c509b9d0, tls=0x7fc3c509b700, child_tidptr=0x7fc3c509b9d0) = 23130概括為：
- 向OS新建socket，並開啟clone boss線程23130。
- 為BOSS創建了一個epoll（論證參見下面“boss”），每個worker創建一個epoll數據結構（本質上是在kernel內存區創建了一個數據結構，用於后續監聽）。
- 創建boss線程監聽的socket（本質上在kernel中創建一個數據結構）。
boss（23130）
bind(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0 listen(20, 128) = 0 getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0 getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0 ##將fd為7號epoll和fd為20號的socket綁定，事件：epoll_ctl_add和epoll_ctl_mod epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=14198059139132817428}}) = 0 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_MOD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=20}}) = 0 epoll_wait(7, [{EPOLLIN, {u32=5, u64=17295150779149058053}}], 8192, 1000) = 1 epoll_wait(7, [], 8192, 1000) = 0(不斷輪訓，1S超時一次)概括為：
- 將上一步中main線程創建的fd：20綁定端口8023，並開啟監聽（網卡負責監聽和接受連接和數據，kernel則負責路由到具體進程，具體參見：關於socket和bind和listen，TODO ）。
- 將7號socket對應的fd綁定到20號對應的epoll數據結構上去（都是操作kernel中的內存）。
- 開始1S中一次阻塞等待epoll有任何連接或數據到達。
3 客戶端連接
boss (23130)
accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(11144), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24 getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0 getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0 setsockopt(24, SOL_TCP, TCP_NODELAY, [1], 4) = 0 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0 ##拋出 work線程 clone(child_stack=0x7fc3c4c98fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c4c999d0, tls=0x7fc3c4c99700, child_tidptr=0x7fc3c4c999d0) = 2301worker (2301)
writev(24, [{"Welcome to iZbp14e1g9ztpshfrla9m"..., 37}, {"It is Sun Aug 23 15:44:14 CST 20"..., 41}], 2) = 78 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=14180008216221450264}}) = 0 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1 read(11, "\1", 128) = 1 ##開始無限loop epoll_wait(13, [], 8192, 1000) = 0 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}], 8192, 1000) = 1概括：
- 當BOSS輪訓epoll_wait等到了連接后，首先accept得到該socket對應的fd。
- 連接建立后 BOSS立馬拋出一個線程（clone函數）。
- worker（即新建的線程）寫入了一段數據（這里是業務邏輯）。
- worker將該client對應的fd綁定到了13號epoll上。
- worker繼續輪訓監聽13號epoll。
4 客戶端主動發送數據
worker（2301）
read(24, "i am daojian\r\n", 1024) = 14 write(24, "Did you say 'i am daojian'?\r\n", 29) = 29 ##繼續無限loop epoll_wait(13, [], 8192, 1000) = 0概括為：
- wait到數據后，立即read到用戶控件內存中（讀取1024個字節到 用戶控件某個buff中）。
- 寫入數據（業務邏輯，不必太關注）。
- 繼續輪訓等待13號epoll。
5 客戶端發送bye報文，服務器斷開TCP連接
worker（2301）
read(24, "bye\r\n", 1024) = 5 write(24, "Have a good day!\r\n", 18) = 18 getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_LINGER, {onoff=0, linger=0}, [8]) = 0 dup2(25, 24) = 24 ##從epoll數據結構中（OS）中刪除fd為24的socket epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_DEL, 24, 0x7f702dd531e0) = -1 ENOENT ##關閉24 socket close(24) = 0 ##繼續等待13 epoll數據 epoll_wait(13, [], 8192, 1000) = 0斷開客戶端連接概括為：
- 從epoll中刪除該客戶端對應的fd（這里觸發源頭沒找到，可能是boss）。
- close關閉客戶端24號fd。
- 繼續輪訓epoll。
6 五個客戶端同時連接
boss線程（23130）
accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(1846), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24 clone(child_stack=0x7f702cc51fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cc529d0, tls=0x7f702cc52700, child_tidptr=0x7f702cc529d0) = 10035 accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(42067), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 26 clone(child_stack=0x7f702cb50fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cb519d0, tls=0x7f702cb51700, child_tidptr=0x7f702cb519d0) = 10067 ...woker線程（10035，第一個連接）
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=3226004877247250456}}) = 0 epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1 = 1 epoll_wait(13, [], 8192, 1000) = 0worker線程（10067，第二個連接）
epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=26}}) = 0 epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_MOD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=3221483685433835546}}) = 0 epoll_wait(16, [{EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}], 8192, 1000) = 1 epoll_wait(16, [], 8192, 1000) = 0 epoll_wait(16, [], 8192, 1000) = 0worker線程（10067，第二個連接）
epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=27}}) = 0 epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_MOD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=3216966479350071323}}) = 0worker線程(8055，第四個連接)
epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=28}}) = 0 epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_MOD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=3302604828697427996}}) = 0worker線程（10035，第五個連接，不在clone線程，而是復用了第一個epoll對應的worker）
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0 epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0概括為：
- epoll和boss、worker之間的關系：一共有4個worker對應着4個epoll對象，boss和每個worker都有對應自己的epoll。
- boss根據epoll數量，平衡分配連接到每個worker對應的epoll中。
7 總結
下圖通過對系統調用的調查得出 netty 和 kernel 交互圖：
初始化直接創建5個epoll，其中7號為boss使用，專門用於處理和客戶端連接；其余4個用來給worker使用，用戶處理和客戶端的數據交互。
work的線程數量，取決於初始化時創建了幾個epoll，worker的復用本質上是epoll的復用。
work之間為什么要獨立使用epoll？為什么不共享？
- 為了避免各個worker之間發生爭搶連接處理，netty直接做了物理隔離，避免競爭。各個worker只負責處理自己管理的連接，並且后續該worker中的每個client的讀寫操作完全由 該線程單獨處理，天然避免了資源競爭，避免了鎖。
- worker單線程，性能考慮：worker不僅僅要epoll_wait，還是處理read、write邏輯，加入worker處理了過多的連接，勢必造成這部分消耗時間片過多，來不及處理更多連接，性能下降。
8 優缺點
優點
- 數據處理：netty提供了大量成熟的數據處理組件（ENCODER、DECODER），HTTP、POP3拿來即用。
- 編碼復雜度、可維護性：netty充分使得業務邏輯與網絡處理解耦，只需要少量的BootStrap配置即可，更多的集中在業務邏輯處理上。
- 性能：netty提供了的ByteBuf(底層Java原生的ByteBuffer)，提供了池化的ByteBuf，兼顧讀取性能和ByteBuf內存分配（在后續文檔中會再做詳解）。
缺點
- 入門有一定難度。
五 AIO
1 啟動
main線程
epoll_create(256) = 5 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 6, {EPOLLIN, {u32=6, u64=11590018039084482566}}) = 0 ##創建BOSS 線程(Proactor) clone(child_stack=0x7f340ac06fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f340ac079d0, tls=0x7f340ac07700, child_tidptr=0x7f340ac079d0) = 22704 socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 8 setsockopt(8, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0 setsockopt(8, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0 bind(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9090), inet_pton(AF_INET6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, 28) = 0 listen(8, 50) accept(8, 0x7f67d01b3120, 0x7f67d9246690) = -1 epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = -1 ENOENT (No such file or directory) epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = 0 read(0,22704(BOSS 線程(Proactor))
epoll_wait(5, < unfinished ...>2 請求連接
**22704(BOSS 線程(Proactor))處理連接** epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1 accept(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(55320), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:36.24.32.140", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, [28]) = 9 clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26241 epoll_wait(5, < unfinished ...>26241
#將client 連接的FD加入到BOSS的epoll中，以便BOSS線程監聽網絡事件
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = -1 ENOENT (No such file or directory) epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = 0 accept(8, 0x7ff3440008c0, 0x7ff35c99f4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 03 客戶端發送數據
22704(BOSS 線程(Proactor))處理連接
epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1 ##數據讀出 read(9, "daojian111\r\n", 1024) = 12 ##數據處理交給其他線程，這里由於線程池為空，需要先clone線程 clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26532復制線程處理，線程號26532
write(1, "pool-1-thread-2-10received : dao"..., 41) = 41 write(1, "\n", 1) accept(8, 0x7f11c400b5f0, 0x7f11f42fd4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable) epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 04 總結
- 從系統調用角度，Java的AIO事實上是以多路復用（Linux上為epoll）等同步IO為基礎，自行實現了異步事件分發。
- BOSS Thread負責處理連接，並分發事件。
- WORKER Thread只負責從BOSS接收的事件執行，不負責任何網絡事件監聽。
5 優缺點
優點
相比於前面的BIO、NIO，AIO已經封裝好了任務調度，使用時只需關心任務處理。
缺點
- 事件處理完全由Thread Pool完成，對於同一個channel的多個事件可能會出現並發問題。
- 相比netty，buffer API不友好容易出錯；編解碼工作復雜。
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