网络通信IO的演变过程（一）（一个门外汉的理解）

以前从来不懂IO的底层，只知道一个大概，就是输入输出的管道怼到一起，然后就可以传输数据了。
最近看了周志垒老师的公开课后，醍醐灌顶。
所以做一个简单的记录。

0.1. 计算机的基本组成大家都了解一点，如下图，当操作系统启动的时候，首先进入内存的除了BIOS，然后就是Linux内核程序。

• 内核暂时先理解成系统程序，比如我们想通过键盘获取到用户的输入，想打开网卡录取视频。这些硬件是受系统保护的，只能交给内核控制。不可能把控制权交给用户程序。
• 用户程序如果想访问硬件，只能用户调用内核暴露的一些调用，我们称这个为系统调用。
• 操作系统启动的时候，会把内核程序所在的地址空间设为绝对安全的空间，这个空间称为内核空间，这种机制称为保护模式。其他的空间即提供给用户程序使用，称为用户空间。比如JVM，QQ，微信对内核来说都是用户App。
• 操作系统启动后，OS会在一个叫做GDT（全局描述符表）的表里标识出内核空间的位置。

0.2. 中断

假设在单核CPU的电脑上，安装一个操作系统，系统中运行了N多的程序，包括内核程序和用户程序。
此时在一个瞬间CPU只会执行一个程序。

CPU是怎么进行各个进程的调度的呢？

Step1：

• 晶振1秒钟震动1千次或者1万次，晶振每震荡一次，都会传递一个时钟中断给CPU，假设当前运行的是用户程序1，晶振震动之后，CPU会把用户程序1的数据（现场）从CPU的高速寄存器中缓存到这个用户程序的空间中。

Step2：

• 操作系统启动的时候，会有一个中断向量表（中断表述符表IDT（Interrupt Descriptor Table）），OS启动时，内核程序注册的。
• 中断产生了之后，存在一个中断回调程序。这个回调程序是由内核注册的。比如这里的：时钟中断产生之后，CPU把现场保存了，CPU本不知道下一步要干什么。但是在OS启动的时候，内核已经注册了，说“CPU，当你收到时钟中断之后，先保护现场，然后来调用我内核程序中的一个调用，这个调用叫'进程调度'”。这个注册的东西就是注册中断向量表。代表“某一个中断发生了，CPU应该去这个表上查它下一步应该干啥”
• 所以当时钟中断产生之后，用户程序现场被保存下来，然后CPU调用内核的“进程调度”这个方法。

Step3：

• CPU调用内核的“进程调度”后，内核告诉CPU，现在可以执行用户程序2了，CPU就去执行用户程序2了，因为之前可能用户程序2被调度过，所以中断后的进程调度第一步就是恢复现场。

所以这里的中断会导致1：CPU的保护现场和恢复现场，会使CPU高速寄存器和内存之间的数据传递，会有消耗。
所以这里的中断会导致2：CPU进行系统调用"进程调度"的次数会有消耗。
【证明01：程序运行的越多，单位时间内，CPU浪费在内核调度上的时间会变多，浪费在寄存器与内存数据传递的时间会变多，真正运行程序的时间会变少。】

0.3. 软中断（陷阱）

假设用户程序想访问电脑的摄像头或者硬盘，此时用户程序会调用内核的系统调用。这种调用我们称为软中断或者陷阱(INT x80)

从CPU的角度考虑一下这个调用，CPU首先在执行用户的程序，但是用户程序写了一行“读取网卡输入”的代码，这个时候用户的编程语言的编译器会在指令里加入一个软中断int x80，表示需要进行系统调用。当CPU读取到int x80的指令的时候，内核之前已经注册了中断向量表（中断表述符表IDT（Interrupt Descriptor Table）），系统调用处理程序 system_call() 的入口地址放在系统的中断表述符表IDT（Interrupt Descriptor Table）中，Linux系统初始化时，由 trap_init() 将其填写完整，其设置系统调用处理程序的语句为：

set_system_gate(0x80, &system_call)

经过初始化以后，每当执行 int 0x80 指令时，产生一个异常使系统陷入内核空间并执行128号异常处理程序，即系统调用处理程序 system_call() 。

这一列骚操作会让CPU在用户态和内核态之间转换。所以依然会让CPU在单位时间产生更大的消耗。

【证明02：当程序调用了系统调用访问外设这种操作，会让CPU消耗更多的时间在用户态和内核态之间】

先上代码：

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class TestBio {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8090); //监听端口8090，本机作为服务端
        System.out.println("step1 new ServerSocket(8090)");
        while(true) {
            Socket client = serverSocket.accept(); //一旦客户端连接上来，新开辟一个线程处理客户端输入
            System.out.println("client port :" + client.getPort());

            new Thread(new Runnable() {
                Socket ss;

                public Runnable setSS(Socket s) {
                    ss = s;
                    return this;
                }

                @Override
                public void run() {
                    try {
                        InputStream is = ss.getInputStream();
                        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
                        while(true) {
                            System.out.println(reader.readLine());
                        }
                    } catch(IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }.setSS(client)).start();
        }
    }
}

这段代码非常之简单，不多做解释。

利用自己的虚拟机进入Linux系统，把这份程序拷贝到Linux环境下运行。再利用strace命令跟踪java bio在linux系统中的调用过程。

什么是strace？

按照strace官网的描述, strace是一个可用于诊断、调试和教学的Linux用户空间跟踪器。我们用它来监控用户空间进程和内核的交互，比如系统调用、信号传递、进程状态变更等。
strace底层使用内核的ptrace特性来实现其功能。

[root@hadoop-senior code]# strace -ff -o out java TestBio执行结果：

[root@hadoop-senior code]# strace -ff -o out java TestBio
step1 new ServerSocket(8090)

可以理解，此时服务器端（即自己的虚拟机）已经在8090监听来自客户端的连接。但是目前还没有任何连接建立，所以打印完输出文字之后就阻塞在这里。

通过ll查看strace命令自动生成的线程跟踪文件：

[root@hadoop-senior code]# ll
total 252
-rw-r--r-- 1 root root   9424 Jun 26 15:23 out.6228
-rw-r--r-- 1 root root 177741 Jun 26 15:23 out.6229
-rw-r--r-- 1 root root   2123 Jun 26 15:23 out.6230
-rw-r--r-- 1 root root    931 Jun 26 15:23 out.6231
-rw-r--r-- 1 root root   1066 Jun 26 15:23 out.6232
-rw-r--r-- 1 root root    975 Jun 26 15:23 out.6233
-rw-r--r-- 1 root root   5003 Jun 26 15:23 out.6234
-rw-r--r-- 1 root root   3705 Jun 26 15:23 out.6235
-rw-r--r-- 1 root root    931 Jun 26 15:23 out.6236
-rw-r--r-- 1 root root  17321 Jun 26 15:23 out.6237
-rw-r--r-- 1 root root   1092 Jun 26 14:29 TestBio$1.class
-rw-r--r-- 1 root root   1128 Jun 26 14:29 TestBio.class
-rw-r--r-- 1 root root   1326 Jun 26 14:28 TestBio.java
[root@hadoop-senior code]# 

可以发现生成了很多out开头的线程跟踪文件，通过less或者tail -f查看这些文件。
通过jps，netstat -natp查看服务器各个端口使用情况。

因为java是一个多线程的程序，查看最大size的文件：out.6229，这个文件跟踪的即是main方法的输出。前面4位数字是这个文件的行号，不用在意。

   2421 socket(PF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 5
   2422 setsockopt(5, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0
   2423 fcntl(5, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
   2424 fcntl(5, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
   2425 setsockopt(5, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
   2426 lseek(3, 58578982, SEEK_SET)            = 58578982
   2427 read(3, "PK34