【015期】JavaSE面试题（十五）：网络IO流

什么是bio

同步阻塞式IO，服务端创建一个ServerSocket，然后客户端用一个Socket去连接那个ServerSocket，然后ServerSocket接收到一个Socket的连接请求就创建一个Socket和一个线程去跟那个Socket进行通信。

public class BioServer {  
    public static void main(String[] args) {
        // 服务端开启一个端口进行监听
        int port = 8080;
        ServerSocket serverSocket = null;   //服务端
        Socket socket;  //客户端
        InputStream in = null;
        OutputStream out = null;
        try {

            serverSocket = new ServerSocket(port);  //通过构造函数创建ServerSocket，指定监听端口，如果端口合法且空闲，服务器就会监听成功
            // 通过无限循环监听客户端连接，如果没有客户端接入，则会阻塞在accept操作
            while (true) {
                System.out.println("Waiting for a new Socket to establish" + " ," + new Date().toString());
                socket = serverSocket.accept();//阻塞  三次握手
                in = socket.getInputStream();
                byte[] buffer = new byte[1024];
                int length = 0;
                while ((length = in.read(buffer)) > 0) {//阻塞
                    System.out.println("input is:" + new String(buffer, 0, length) + " ," + new Date().toString());
                    out = socket.getOutputStream();
                    out.write("success".getBytes());
                    System.out.println("Server end" + " ," + new Date().toString());
                }

            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 必要的清理活动
            if (serverSocket != null) {
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (in != null) {
                try {
                    in.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (out != null) {
                try {
                    out.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

什么是nio

同步非阻塞
包括Selector，这是多路复用器，selector会不断轮询注册的channel，如果某个channel上发生了读写事件，selector就会将这些channel获取出来，我们通过SelectionKey获取有读写事件的channel，就可以进行IO操作。一个Selector就通过一个线程，就可以轮询成千上万的channel，这就意味着你的服务端可以接入成千上万的客户端。

public class NioDemo implements Runnable {
    public int id = 100001;
    public int bufferSize = 2048;

    @Override
    public void run() {
        init();
    }

    public void init() {
        try {
            // 创建通道和选择器
            ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
            Selector selector = Selector.open();
            InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(
                    InetAddress.getLocalHost(), 4700);
            socketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
            // 设置通道非阻塞 绑定选择器
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT).attach(
                    id++);
            System.out.println("Server started .... port:4700");
            listener(selector);

        } catch (Exception e) {

        }
    }

    public void listener(Selector in_selector) {
        try {
            while (true) {
                Thread.sleep(1 * 1000);
                in_selector.select(); // 阻塞 直到有就绪事件为止
                Set<SelectionKey> readySelectionKey = in_selector
                        .selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = readySelectionKey.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = it.next();
                    // 判断是哪个事件
                    if (selectionKey.isAcceptable()) {// 客户请求连接
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 接受请求事件");
                        // 获取通道 接受连接,
                        // 设置非阻塞模式（必须），同时需要注册 读写数据的事件，这样有消息触发时才能捕获
                        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel) selectionKey
                                .channel();
                        serverSocketChannel
                                .accept()
                                .configureBlocking(false)
                                .register(
                                        in_selector,
                                        SelectionKey.OP_READ
                                                | SelectionKey.OP_WRITE).attach(id++);
                        System.out
                                .println(selectionKey.attachment() + " - 已连接");

                        // 下面这种写法是有问题的 不应该在serverSocketChannel上面注册
                        /*
                         * serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                         * serverSocketChannel.register(in_selector,
                         * SelectionKey.OP_READ);
                         * serverSocketChannel.register(in_selector,
                         * SelectionKey.OP_WRITE);
                         */
                    }
                    if (selectionKey.isReadable()) {// 读数据
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 读数据事件");
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        ByteBuffer receiveBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
                        clientChannel.read(receiveBuf);
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 读取数据：" + getString(receiveBuf));
                    }
                    if (selectionKey.isWritable()) {// 写数据
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 写数据事件");
                        SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                        ByteBuffer sendBuf = ByteBuffer.allocate(bufferSize);
                        String sendText = "hello
";
                        sendBuf.put(sendText.getBytes());
                        sendBuf.flip();        //写完数据后调用此方法
                        clientChannel.write(sendBuf);
                    }
                    if (selectionKey.isConnectable()) {
                        System.out.println(selectionKey.attachment()
                                + " - 连接事件");
                    }
                    // 必须removed 否则会继续存在，下一次循环还会进来,
                    // 注意removed 的位置，针对一个.next() remove一次
                    it.remove();
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("Error - " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }

    }

    /**
     * ByteBuffer 转换 String
     *
     * @param buffer
     * @return
     */
    public static String getString(ByteBuffer buffer) {
        String string = "";
        try {
            for (int i = 0; i < buffer.position(); i++) {
                string += (char) buffer.get(i);
            }
            return string;
        } catch (Exception ex) {
            ex.printStackTrace();
            return "";
        }
    }
}

什么是aio

异步非阻塞
每个连接发送过来的请求，都会绑定一个buffer，然后通知操作系统去异步完成读，此时你的程序是会去干别的事儿的，等操作系统完成数据读取之后，就会回调你的接口，给你操作系统异步读完的数据。

public class AIOServer {

    public final static int PORT = 9888;
    private AsynchronousServerSocketChannel server;

    public AIOServer() throws IOException {
        server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(
                new InetSocketAddress(PORT));
    }

    public void startWithFuture() throws InterruptedException,
            ExecutionException, TimeoutException {
        while (true) {// 循环接收客户端请求
            Future<AsynchronousSocketChannel> future = server.accept();
            AsynchronousSocketChannel socket = future.get();// get() 是为了确保 accept 到一个连接
            handleWithFuture(socket);
        }
    }

    public void handleWithFuture(AsynchronousSocketChannel channel) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
        ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(2);
        readBuf.clear();

        while (true) {// 一次可能读不完
            //get 是为了确保 read 完成，超时时间可以有效避免DOS攻击，如果客户端一直不发送数据，则进行超时处理
            Integer integer = channel.read(readBuf).get(10, TimeUnit.SECONDS);
            System.out.println("read: " + integer);
            if (integer == -1) {
                break;
            }
            readBuf.flip();
            System.out.println("received: " + Charset.forName("UTF-8").decode(readBuf));
            readBuf.clear();
        }
    }

    public void startWithCompletionHandler() throws InterruptedException,
            ExecutionException, TimeoutException {
        server.accept(null,
                new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
                    public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment) {
                        server.accept(null, this);// 再此接收客户端连接
                        handleWithCompletionHandler(result);
                    }

                    @Override
                    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                        exc.printStackTrace();
                    }
                });
    }

    public void handleWithCompletionHandler(final AsynchronousSocketChannel channel) {
        try {
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
            final long timeout = 10L;
            channel.read(buffer, timeout, TimeUnit.SECONDS, null, new CompletionHandler<Integer, Object>() {
                @Override
                public void completed(Integer result, Object attachment) {
                    System.out.println("read:" + result);
                    if (result == -1) {
                        try {
                            channel.close();
                        } catch (IOException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        return;
                    }
                    buffer.flip();
                    System.out.println("received message:" + Charset.forName("UTF-8").decode(buffer));
                    buffer.clear();
                    channel.read(buffer, timeout, TimeUnit.SECONDS, null, this);
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                    exc.printStackTrace();
                }
            });
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String args[]) throws Exception {
//        new AIOServer().startWithFuture();
        new AIOServer().startWithCompletionHandler();
        Thread.sleep(100000);
    }

}

什么是epoll

一种多路复用的技术，可以解决之前poll和select大量并发连接情况下cpu利用率过高，以及需要遍历整个被侦听的描述符集的问题。epoll只要遍历那些被内核IO事件异步唤醒而加入Ready队列的描述符集合就行了。

什么是mmap技术

把一个磁盘文件映射到内存里来，然后把映射到内存里来的数据通过socket发送出去
有一种mmap技术，也就是内存映射，直接将磁盘文件数据映射到内核缓冲区，这个映射的过程是基于DMA引擎拷贝的，同时用户缓 冲区是跟内核缓冲区共享一块映射数据的，建立共享映射之后，就不需要从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区了
光是这一点，就可以避免一次拷贝了，但是这个过程中还是会用户态切换到内核态去进行映射拷贝，接着再次从内核态切换到用户态， 建立用户缓冲区和内核缓冲区的映射
接着把数据通过Socket发送出去，还是要再次切换到内核态
接着直接把内核缓冲区里的数据拷贝到Socket缓冲区里去，然后再拷贝到网络协议引擎里，发送出去就可以了，最后切换回用户态
减少一次拷贝，但是并不减少切换次数，一共是4次切换，3次拷贝

什么是零拷贝技术

linux提供了sendfile，也就是零拷贝技术
这个零拷贝技术，就是先从用户态切换到内核态，在内核态的状态下，把磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区，同时从内核缓冲区拷贝一些 offset和length到Socket缓冲区；接着从内核态切换到用户态，从内核缓冲区直接把数据拷贝到网络协议引擎里去
同时从Socket缓冲区里拷贝一些offset和length到网络协议引擎里去，但是这个offset和length的量很少，几乎可以忽略
只要2次切换，2次拷贝，就可以了

说一下select，poll，epoll的区别？

select，poll实现需要自己不断轮询所有fd集合，直到设备就绪，期间可能要睡眠和唤醒多次交替。
epoll也需要调用epoll_wait不断轮询就绪链表，期间也可能多次睡眠和唤醒交替，但是它是设备就绪时，调用回调函数，把就绪fd放入就绪链表中，并唤醒在epoll_wait中进入睡眠的进程。虽然都要睡眠和交替，但是select和poll在“醒着”的时候要遍历整个fd集合，而epoll在“醒着”的时候只要判断一下就绪链表是否为空就行了，这节省了大量的CPU时间。这就是回调机制带来的性能提升。

select，poll每次调用都要把fd集合从用户态往内核态拷贝一次，并且要把current往设备等待队列中挂一次，而epoll只要一次拷贝，而且把current往等待队列上挂也只挂一次（在epoll_wait的开始，注意这里的等待队列并不是设备等待队列，只是一个epoll内部定义的等待队列）。这也能节省不少的开销。