NIO面試題大全
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Q：什么是同步、異步、阻塞、非阻塞？
Q：操作系統(tǒng)有哪些IO模型？
Q：多路復(fù)用IO模型系統(tǒng)怎么實(shí)現(xiàn)？select、poll、epoll區(qū)別？
Q：NIO比BIO相比有什么優(yōu)勢(shì)？
Q：NIO有哪些組件？
Q：NIO存在哪些問(wèn)題？
Q：什么是零拷貝？
A： 一次IO的過(guò)程主要是：應(yīng)用向操作系統(tǒng)發(fā)起IO指令（read、write），操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（把IO外部設(shè)備的數(shù)據(jù)，加載到內(nèi)核緩沖區(qū)），準(zhǔn)備完畢后將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶(hù)空間。
內(nèi)核準(zhǔn)備數(shù)據(jù)過(guò)程中，用戶(hù)進(jìn)程是否被阻塞
阻塞：用戶(hù)進(jìn)程直到內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，才返回
非阻塞：用戶(hù)進(jìn)程不等待內(nèi)核數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，立即返回
將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶(hù)空間時(shí)，用戶(hù)進(jìn)程是否被阻塞
同步：用戶(hù)進(jìn)程等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶(hù)空間
異步：用戶(hù)進(jìn)程不等待數(shù)據(jù)復(fù)制，內(nèi)核復(fù)制完成后，發(fā)送信號(hào)通知進(jìn)程
Q：操作系統(tǒng)有哪些IO模型？A： 有五種模型：阻塞IO、非阻塞IO、多路復(fù)用IO、信號(hào)渠道IO、異步IO
阻塞IO：阻塞等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（阻塞），數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間（同步）
非阻塞IO：不等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（非阻塞），通過(guò)輪詢(xún)方式判斷數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間（同步）
多路復(fù)用IO：發(fā)生請(qǐng)求后，將socket注冊(cè)到select，select輪詢(xún)檢查多個(gè)socket數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好（非阻塞），數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間（同步）
信號(hào)渠道IO：發(fā)生請(qǐng)求后，內(nèi)核通過(guò)信號(hào)量標(biāo)志數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好（非阻塞），數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，等待數(shù)據(jù)從內(nèi)核復(fù)制到用戶(hù)空間（同步）
異步IO：發(fā)生請(qǐng)求后，不等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（非阻塞），數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，內(nèi)核將數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶(hù)空間，然后發(fā)送信號(hào)通知數(shù)據(jù)已經(jīng)復(fù)制完成（異步）
Q：多路復(fù)用IO模型系統(tǒng)怎么實(shí)現(xiàn)？select、poll、epoll區(qū)別？A：?多路復(fù)用IO模型目前操作系統(tǒng)有select、poll、epoll三種方式
select：select函數(shù)僅僅知道有幾個(gè)I/O事件發(fā)生了，但并不知道具體是哪幾個(gè)socket連接有I/O事件，還需要輪詢(xún)?nèi)ゲ檎?，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)，處理的請(qǐng)求數(shù)越多，所消耗的時(shí)間越長(zhǎng)。
poll：poll本質(zhì)上和select沒(méi)有區(qū)別，它將用戶(hù)傳入的數(shù)組拷貝到內(nèi)核空間，然后查詢(xún)每個(gè)fd對(duì)應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)，?但是它沒(méi)有大連接數(shù)的限制，原因是它是基于鏈表來(lái)存儲(chǔ)的
epoll：epoll可以理解為event pool，不同與select、poll的輪詢(xún)機(jī)制，epoll采用的是事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，每個(gè)fd上有注冊(cè)有回調(diào)函數(shù)，當(dāng)網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)回調(diào)該函數(shù)，同時(shí)將該fd的引用放入rdlist就緒列表中。
當(dāng)調(diào)用epoll_wait檢查是否有事件發(fā)生時(shí)，只需要檢查eventpoll對(duì)象中的rdlist雙鏈表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不為空，則把發(fā)生的事件復(fù)制到用戶(hù)態(tài)，同時(shí)將事件數(shù)量返回給用戶(hù)。
Q：NIO比BIO相比有什么優(yōu)勢(shì)？A：?
1、BIO是面向流的傳輸；NIO是面向塊傳輸，按塊處理數(shù)據(jù)要比按字節(jié)處理數(shù)據(jù)快得多
2、BIO是采用同步阻塞機(jī)制，一個(gè)線(xiàn)程資源只能處理一個(gè)鏈接；NIO是采用多路復(fù)用IO，可以處理多個(gè)鏈接
3、NIO使用了零拷貝，提高了傳輸性能
Q：NIO有哪些組件？A：?
1、Channel
Channel 是對(duì)數(shù)據(jù)的源頭和數(shù)據(jù)目標(biāo)點(diǎn)流經(jīng)途徑的抽象
ServerSocketChannel：用于監(jiān)聽(tīng)新的TCP連接的通道，負(fù)責(zé)讀取&相應(yīng)，通常用于服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)
SocketChannel：用于發(fā)起TCP連接，讀寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，通常用于客戶(hù)端的實(shí)現(xiàn)
2、Selector
Selector是通道注冊(cè)器，多個(gè)Channel均可以注冊(cè)到Selector，Selector負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)每個(gè)Channel的幾個(gè)事件：鏈接就緒、寫(xiě)就緒、讀就緒，當(dāng)某個(gè)Channel注冊(cè)就緒的事件發(fā)生，則Selector不再阻塞，返回事件集合，然后按事件不同分發(fā)處理
3、Buffer
Buffer就是一個(gè)內(nèi)存塊，底層是一個(gè)數(shù)組。Buffer提供了一組方法輕松使用內(nèi)存塊，Channel讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò)Buffer
Q：NIO存在哪些問(wèn)題？A：?
1、半包讀寫(xiě)
TCP是面向連接的傳輸協(xié)議，TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以流的形式，而數(shù)據(jù)流是沒(méi)有明確的開(kāi)始結(jié)尾邊界，所以TCP也沒(méi)辦法判斷哪一段流屬于哪一個(gè)消息，故存在粘包和半包問(wèn)題
2、斷連重連
服務(wù)端出現(xiàn)異常時(shí)，客戶(hù)端可能存在連接斷開(kāi)需重新連接的情況
Q：什么是零拷貝？A： 一次IO讀寫(xiě)（如從硬盤(pán)發(fā)送網(wǎng)卡）的過(guò)程：應(yīng)用發(fā)出read指令，CPU進(jìn)行上下文切換，由用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)，CPU通知DMA開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)，DMA從磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖，DMA完成后，向CPU發(fā)出中斷，CPU從內(nèi)核緩沖復(fù)制到用戶(hù)緩沖，復(fù)制完成后，read指令返回，CPU由內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶(hù)態(tài)。
應(yīng)用發(fā)出write指令，CPU進(jìn)行上下文切換，由用戶(hù)態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)，CPU從用戶(hù)緩沖復(fù)制到socket緩沖，DMA將socket緩沖寫(xiě)入到網(wǎng)卡，寫(xiě)入完成后，write指令返回，CPU由內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶(hù)態(tài)。
故整個(gè)IO讀寫(xiě)過(guò)程涉及兩次系統(tǒng)調(diào)用，四次上下文切換
通過(guò)上面的過(guò)程，我們可以看出同樣的數(shù)據(jù)，從內(nèi)核緩存復(fù)制到用戶(hù)緩沖，再?gòu)?fù)制到內(nèi)核緩沖
操作系統(tǒng)提供了mmap，使得應(yīng)用和操作系統(tǒng)可共享內(nèi)核緩沖，此時(shí)就無(wú)需再將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖復(fù)制到用戶(hù)緩沖，發(fā)起write指令后，CPU直接從內(nèi)核緩沖復(fù)制到socket緩沖
但mmap只是減少了一次CPU復(fù)制事件，操作系統(tǒng)提供sendfile函數(shù)可以減少一次系統(tǒng)調(diào)用，發(fā)起sendfile后，上下文切換到內(nèi)核空間，DMA將數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)，CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖復(fù)制到socket緩沖，再經(jīng)由DMA從socket緩沖復(fù)制到網(wǎng)卡，sendfile指令返回，上下文切換到用戶(hù)空間。
可以發(fā)現(xiàn)本次sendfile僅僅發(fā)生了2次上下文切換以及3次拷貝(2次DMA拷貝+1次CPU拷貝)
linux2.4版本后，對(duì)sendfile做了優(yōu)化升級(jí)，引入SG-DMA技術(shù)，它可以直接從內(nèi)核空間緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)讀取到網(wǎng)卡，這樣的話(huà)還可以省去CPU拷貝
CPU把內(nèi)核緩沖區(qū)中的文件描述符信息（包括內(nèi)核緩沖區(qū)的內(nèi)存地址和偏移量）直接發(fā)送到socket緩沖區(qū)，DMA控制器根據(jù)文件描述符信息直接把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到網(wǎng)卡
可以看到sendfile + DMA發(fā)生了2次上下文切換以及2次數(shù)據(jù)拷貝，全程沒(méi)有通過(guò)CPU來(lái)搬運(yùn)數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都是通過(guò)DMA進(jìn)行傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)了零拷貝
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