4. 非阻塞I/O（NonBlocking I/O）

上文花了太多的筆墨描述BIO，接下來的非阻塞IO我們只抓主要矛盾，其余參考BIO即可。

如果你看過其他介紹非阻塞IO的文章，下面這個圖片你多少會有點眼熟。

NIO模型

非阻塞IO指的是進程發起系統調用之后，內核不會將進程投入睡眠，而是會立即返回一個結果，這個結果可能恰好是我們需要的數據，又或者是某些錯誤。

你可能會想，這種非阻塞帶來的輪詢有什么用呢？大多數都是空輪詢，白白浪費CPU而已，還不如讓進程休眠來的合適。

4.1 Java的非阻塞實現

這個問題暫且擱置一下，我們先看Java在語法層面是如何提供非阻塞功能的，細節慢慢聊。

public class NoBlockingServer {

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

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

        try {
            // 相當于serverSocket
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 將監聽socket設置為非阻塞
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8099));
            while (true) {
                // 這里將不再阻塞
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                if (socketChannel != null) {
                    // 將連接socket設置為非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    channelList.add(socketChannel);
                } else {
                    System.out.println("沒有客戶端連接！！！");
                }

                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("收到客戶端【" + client.socket().getPort() + "】數據：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else {
                        System.out.println("等待客戶端【" + client.socket().getPort() + "】寫數據");
                    }
                }

                // 加個睡眠是為了避免strace產生大量日志，否則不好追蹤
                Thread.sleep(1000);

            }

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

Java提供了新的API，ServerSocketChannel以及SocketChannel，相當于BIO中的ServerSocket和Socket。此外，通過下面兩行的配置，將監聽socket和連接socket設置為非阻塞。

// 將監聽socket設置為非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);

// 將連接socket設置為非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);

我們上文強調過， Java自身并沒有將socket設置為非阻塞的本事，一定是在某個時間點上，操作系統內核提供了這個功能，才使得Java設計出了新的API來提供非阻塞功能 。

之所以需要上面兩行代碼的顯式設置，也恰好說明了內核是默認將socket設置為阻塞狀態的，需要非阻塞，就得額外調用其他系統調用。我們通過man命令查看一下socket()這個方法（截圖的中間省略了一部分內容）:

man 2 socket

image-20221225144028751

我們可以看到socket()函數提供了SOCK_NONBLOCK這個類型，可以通過fcntl()這個方法將socket從默認的阻塞修改為非阻塞，不管是對監聽socket還是連接socket都是一樣的。

4.2 Java的非阻塞解釋

現在解釋上面提到的問題：這種非阻塞帶來的輪詢有什么用？觀察一下上面的代碼就可以發現，我們全程只使用了1個main線程就解決了所有客戶端的連接以及所有客戶端的讀寫操作。

serverSocketChannel.accept();會立即返回調用結果。

返回的結果如果是一個SocketChannel對象（系統調用底層就是個socket描述符），說明有客戶端連接，這個SocketChannel就表示了這個連接；然后利用socketChannel.configureBlocking(false);將這個連接socket設置為非阻塞。這個設置非常重要，設置之后對連接socket所有的讀寫操作都變成了非阻塞，因此接下來的client.read(byteBuffer);并不會阻塞while循環，導致新的客戶端無法連接。再之后將該連接socket加入到channelList隊列中。

如果返回的結果為空（底層系統調用返回了錯誤），就說明現在還沒有新的客戶端要連接監聽socket，因此程序繼續向下執行，遍歷channelList隊列中的所有連接socket，對連接socket進行讀操作。而讀操作也是非阻塞的，會理解返回一個整數，表示讀到的字節數，如果>0，則繼續進行下一步的邏輯處理；否則繼續遍歷下一個連接socket。

下面給出一張accept()返回一個連接socket情況下的動圖，希望對大家理解整個流程有幫助。

4.3 掀開非阻塞IO的底褲

我將上面的程序在CentOS下再次用strace程序追蹤一下，具體步驟不再贅述，下面是out日志文件的內容（我忽略了絕大多數沒用的）。

非阻塞IO的系統調用分析

4.4 非阻塞IO總結

NIO模型

再放一遍這個圖，有一個細節需要大家注意，系統調用向內核要數據時，內核的動作分成兩步：

1. 等待數據（從網卡緩沖區拷貝到內核緩沖區）
2. 拷貝數據（數據從內核緩沖區拷貝到用戶空間）

只有在第1步時，系統調用是非阻塞的，第2步進程依然需要等待這個拷貝過程，然后才能返回，這一步是阻塞的。

非阻塞IO模型僅用一個線程就能處理所有操作，對比BIO的一個客戶端需要一個線程而言進步還是巨大的。但是他的致命問題在于會不停地進行系統調用，不停的進行accept()，不停地對連接socket進行read()操作，即使大部分時間都是白忙活。要知道，系統調用涉及到用戶空間和內核空間的多次轉換，會嚴重影響整體性能。

所以，一個自然而言的想法就是，能不能別讓進程瞎輪詢。

比如有人告訴進程監聽socket是不是被連接了，有的話進程再執行accept()；比如有人告訴進程哪些連接socket有數據從客戶端發送過來了，然后進程只對有數據的連接socket進行read()。

這個方案就是 I/O多路復用 。