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Socket 编程

问题​

什么是 Socket？Java 中 BIO、NIO、AIO 有什么区别？

答案​

Socket 通信模型​

BIO vs NIO vs AIO​

模型全称线程模型适用场景
BIOBlocking I/O一个连接一个线程连接少、固定
NIONon-blocking I/O一个线程管多个连接高并发、短请求
AIOAsync I/O回调通知连接多、操作重

BIO（同步阻塞）​

BIO - 一个连接一个线程
ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket socket = server.accept();  // 阻塞等待连接
    new Thread(() -> {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        byte[] buf = new byte[1024];
        int len = in.read(buf);  // 阻塞等待数据
        // 处理请求...
    }).start();
}
BIO 的问题

每个连接需要一个线程，10000 个连接需要 10000 个线程。线程资源昂贵（默认 1MB 栈空间），大量线程切换的 CPU 开销也很大。

NIO（同步非阻塞 + 多路复用）​

NIO - Selector 多路复用
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select();  // 阻塞等待就绪事件
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            // 新连接
            SocketChannel client = serverChannel.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            // 有数据可读
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            client.read(buffer);
            // 处理请求...
        }
    }
    keys.clear();
}

NIO 三大核心：

  • Channel：双向通道（替代 Stream）
  • Buffer：缓冲区（数据读写的中转站）
  • Selector：多路复用器（一个线程监听多个 Channel 的事件）

Netty​

实际项目中很少直接用 NIO（API 复杂、有 Bug），通常用 Netty 框架。

Netty 服务端
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);     // 接收连接
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();     // 处理 IO

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
            ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() {
                @Override
                protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
                    ctx.writeAndFlush("收到: " + msg);
                }
            });
        }
    });

bootstrap.bind(8080).sync();

常见面试问题​

Q1: select、poll、epoll 的区别？​

答案：

维度selectpollepoll
最大连接数1024 (FD_SETSIZE)无限制无限制
数据结构位图链表红黑树 + 就绪链表
遍历方式每次全遍历每次全遍历回调通知就绪的 fd
性能O(n)O(n)O(1) 事件通知
内核拷贝每次 fd 复制到内核每次 fd 复制到内核mmap 共享内存

Java NIO 的 Selector 在 Linux 上底层使用 epoll。

Q2: Netty 的线程模型？​

答案：

Netty 使用 Reactor 主从多线程模型：

  • Boss Group（1 个线程）：负责接收新连接（accept）
  • Worker Group（N 个线程）：负责 IO 读写和业务处理

每个 Channel 绑定到固定的 EventLoop（线程），避免线程竞争。

Q3: 什么是零拷贝？​

答案：

传统 IO 需要 4 次数据拷贝（磁盘→内核→用户→内核→网卡）。零拷贝通过减少拷贝次数提升性能：

  • mmap：内核缓冲区和用户空间共享，减少一次拷贝
  • sendfile：数据直接从内核缓冲区到网卡，绕过用户空间

Kafka 的高吞吐就依赖 sendfile 零拷贝。Netty 使用 FileChannel.transferTo() 实现零拷贝。

详见 IO 与 NIO。

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