探究Redis网络模型究竟有多强大（下）

4. 非阻塞I/O（NonBlocking I/O）

上文花了太多的笔墨描述BIO，接下来的非阻塞IO我们只抓主要矛盾，其余参考BIO即可。

如果你看过其他介绍非阻塞IO的文章，下面这个图片你多少会有点眼熟。

NIO模型

非阻塞IO指的是进程发起系统调用之后，内核不会将进程投入睡眠，而是会立即返回一个结果，这个结果可能恰好是我们需要的数据，又或者是某些错误。

你可能会想，这种非阻塞带来的轮询有什么用呢？大多数都是空轮询，白白浪费CPU而已，还不如让进程休眠来的合适。

4.1 Java的非阻塞实现

这个问题暂且搁置一下，我们先看Java在语法层面是如何提供非阻塞功能的，细节慢慢聊。

public class NoBlockingServer {

    public static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        try {
            // 相当于serverSocket
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 将监听socket设置为非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8099));
            while (true) {
                // 这里将不再阻塞
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                if (socketChannel != null) {
                    // 将连接socket设置为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    channelList.add(socketChannel);
                } else {
                    System.out.println("没有客户端连接！！！");
                }

                for (SocketChannel client : channelList) {
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    // read也不阻塞
                    int num = client.read(byteBuffer);
                    if (num > 0) {
                        System.out.println("收到客户端【" + client.socket().getPort() + "】数据：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else {
                        System.out.println("等待客户端【" + client.socket().getPort() + "】写数据");
                    }
                }

                // 加个睡眠是为了避免strace产生大量日志，否则不好追踪
                Thread.sleep(1000);

            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Java提供了新的API，ServerSocketChannel以及SocketChannel，相当于BIO中的ServerSocket和Socket。此外，通过下面两行的配置，将监听socket和连接socket设置为非阻塞。

// 将监听socket设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

// 将连接socket设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

我们上文强调过， Java自身并没有将socket设置为非阻塞的本事，一定是在某个时间点上，操作系统内核提供了这个功能，才使得Java设计出了新的API来提供非阻塞功能 。

之所以需要上面两行代码的显式设置，也恰好说明了内核是默认将socket设置为阻塞状态的，需要非阻塞，就得额外调用其他系统调用。我们通过man命令查看一下socket()这个方法（截图的中间省略了一部分内容）:

man 2 socket

image-20221225144028751

我们可以看到socket()函数提供了SOCK_NONBLOCK这个类型，可以通过fcntl()这个方法将socket从默认的阻塞修改为非阻塞，不管是对监听socket还是连接socket都是一样的。

4.2 Java的非阻塞解释

现在解释上面提到的问题：这种非阻塞带来的轮询有什么用？观察一下上面的代码就可以发现，我们全程只使用了1个main线程就解决了所有客户端的连接以及所有客户端的读写操作。

serverSocketChannel.accept();会立即返回调用结果。

返回的结果如果是一个SocketChannel对象（系统调用底层就是个socket描述符），说明有客户端连接，这个SocketChannel就表示了这个连接；然后利用socketChannel.configureBlocking(false);将这个连接socket设置为非阻塞。这个设置非常重要，设置之后对连接socket所有的读写操作都变成了非阻塞，因此接下来的client.read(byteBuffer);并不会阻塞while循环，导致新的客户端无法连接。再之后将该连接socket加入到channelList队列中。

如果返回的结果为空（底层系统调用返回了错误），就说明现在还没有新的客户端要连接监听socket，因此程序继续向下执行，遍历channelList队列中的所有连接socket，对连接socket进行读操作。而读操作也是非阻塞的，会理解返回一个整数，表示读到的字节数，如果>0，则继续进行下一步的逻辑处理；否则继续遍历下一个连接socket。

下面给出一张accept()返回一个连接socket情况下的动图，希望对大家理解整个流程有帮助。

4.3 掀开非阻塞IO的底裤

我将上面的程序在CentOS下再次用strace程序追踪一下，具体步骤不再赘述，下面是out日志文件的内容（我忽略了绝大多数没用的）。

非阻塞IO的系统调用分析

4.4 非阻塞IO总结

NIO模型

再放一遍这个图，有一个细节需要大家注意，系统调用向内核要数据时，内核的动作分成两步：

1. 等待数据（从网卡缓冲区拷贝到内核缓冲区）
2. 拷贝数据（数据从内核缓冲区拷贝到用户空间）

只有在第1步时，系统调用是非阻塞的，第2步进程依然需要等待这个拷贝过程，然后才能返回，这一步是阻塞的。

非阻塞IO模型仅用一个线程就能处理所有操作，对比BIO的一个客户端需要一个线程而言进步还是巨大的。但是他的致命问题在于会不停地进行系统调用，不停的进行accept()，不停地对连接socket进行read()操作，即使大部分时间都是白忙活。要知道，系统调用涉及到用户空间和内核空间的多次转换，会严重影响整体性能。

所以，一个自然而言的想法就是，能不能别让进程瞎轮询。

比如有人告诉进程监听socket是不是被连接了，有的话进程再执行accept()；比如有人告诉进程哪些连接socket有数据从客户端发送过来了，然后进程只对有数据的连接socket进行read()。

这个方案就是 I/O多路复用 。