Netty中的select和epoll

1.select

select的原理如下：

用户程序发起读操作后，将阻塞查询读数据是否可用，直到内核准备好数据后，用户程序才会真正的读取数据。

poll与select的原理相似，用户程序都要阻塞查询事件是否就绪，但poll没有最大文件描述符的限制。

2.epoll

epoll是select和poll的改进，原理图如下：

epoll使用“事件”的方式通知用户程序数据就绪，并且使用内存拷贝的方式使用户程序直接读取内核准备好的数据，不用再读取数据
使用Netty构建服务器时，需要指定parent线程池和child线程池，parent线程负责监听端口，一旦有连接接入，则注册到child线程池中的一个线程上，该连接的IO操作/任务都由该线程完成。
换句话说，一个线程会负责多个连接的IO操作，也就是多路复用。Netty底层是使用系统提供的select或者epoll来实现多路复用的。

先来科普下select/poll/epoll。

3.select/poll

服务端建立每个连接，相当于打开文件，会获得对应的文件描述符（fd），相同的源IP/源端口/目标IP/目标端口对应同一个fd。

select和poll是相似的，不一样的地方是，select是使用数组，有连接数限制，而poll使用链表，无连接数限制。

监听连接时，从用户层的角度看，
（1）会构建3个fd数组，分别关注读/写/异常事件，设置超时时间，调用系统提供的select方法。
（2）调用select方法时，需要将fd数组传到内核态，等待部分fd就绪后，把fd数组（包含就绪状态）返回到用户态
（3）用户程序对fd数组进行遍历，处理就绪的fd
（4）重新调用select方法。

可以看出不好的地方是（1）每次都要传入fd数组，返回整个fd数组，导致了大量在用户空间和内核空间的相互拷贝。
（2）用户程序仍需要遍历fd数组才能找出就绪的fd

从系统层的角度看，调用select方法时
（1）遍历fd数组，对于每个fd，调用其对应的poll方法（由设备对应的驱动程序实现），将fd所在线程加入等待队列，并且检查就绪状态，记录感兴趣的就绪状态。
（2）如果存在感兴趣的就绪状态，直接返回
（3）如果不存在感兴趣的就绪状态，进入休眠，等待fd就绪后，会唤醒等待队列中的线程
（4）被唤醒后，重复1-4的操作。

可以看出不好的地方是每次都需要检查所有fd。

epoll
epoll相对select改善了很多。
（1）在使用epoll时，首先会构建epoll对象。
（2）有连接接入时，会插入到epoll对象中，epoll对象里实际是一个红黑树+双向链表，fd插入到红黑树中，通过红黑树查找到是否重复
（3）一旦fd就绪，会触发回调把fd的插入到就绪链表中，并唤醒等待队列中的线程。
（4）调用epoll_wait方法时只需要检查就绪链表，如有则返回给用户程序，如没有进入等待队列。

由于epoll把fd管理起来，不需要每次都重复传入，而且只返回就绪的fd，因此减少了用户空间和内核空间的相互拷贝，在fd数量庞大的时候更加高效。

Netty可以选择使用不同的多路复用技术。

NioEventLoop
NioEventLoop底层会根据系统选择select或者epoll。如果是windows系统，则底层使用WindowsSelectorProvider（select）实现多路复用；如果是linux，则使用epoll

当为select模式，在NioEventLoop对应的Selector中会维护着newKeys，updateKeys，cancelledKeys，分别是新增的fd，更新fd的感兴趣状态，取消fd监听。每当连接接入，或者断连，都会调用NioEventLoop的注册/解除注册方法，更新这几个集合。（这里是JDK11的实现，在JDK8中则直接更新PollArrayWrapper）

NioEventLoop在运行的时候，会不断的监听注册的连接，核心逻辑在doSelect方法中，主要的几个操作是
（1）processUpdateQueue，将newKeys，updateKeys，cancelledKeys中的key更新到PollArrayWrapper中
（2）subSelector.poll()，这里实际是调用native方法，会将PollArrayWrapper的fd拷贝至readFds/writeFds/exceptFds，并监听这些fd。

private native int poll0(long pollAddress, int numfds,

         int[] readFds, int[] writeFds, int[] exceptFds, long timeout);

1
2
（3）updateSelectedKeys，遍历freadFds/writeFds/exceptFds，将就绪的fd存储到selectedKey中

当存在fd就绪后，doSelect方法返回，应用程序可以遍历selectedKey进行处理。

EpollEventLoop
EpollEventLoop底层使用epoll实现多路复用。

EpollEventLoop中会初始化epollFd、eventFd、timerFd。

epollFd是调用系统方法生成的epoll对象，后续会使用其管理所有需要监听的fd
eventFd是用于线程通讯，程序会把eventFd添加到epollFd中，监听eventFd，一旦eventFd有操作，则会唤醒调用epoll_wait的线程。
timerFd是用于计时，同样的监听timerFd，一旦时间到达，则会唤醒调用epoll_wait的线程。
每当连接接入或者断连，都会调用epoll_ctl_add/epoll_ctl_del方法来操作epoll对象。

在EpollEventLoop的run方法中，会调用epoll_wait来监听所有fd，一旦有fd就绪，会拷贝至EpollEventArray中，应用程序遍历EpollEventArray处理所有就绪事件。
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