记一次网络io学习流水账
一次网络io学习流水账
buffer & NIO & BIO
最近在学习redis线程io模型时，遇到内核缓冲区的概念，然后我由这个名称联想到学习计网时也出现过的读写Buffer，资料一查，这两个就是同一个东西。
这个buffer是处于网络的应用层和运输层之间，当应用程序调用操作系统的 write() 函数时，数据就会先被存放在这个Send buffer中，接下来TCP就会不时从发送缓存里取出一块数据，并将数据传递到网络层。同理，当应用程序调用操作系统的 read() 函数时，就是从缓存里读数据。
我们知道，redis服务器是非阻塞读，也就是如果receive buffer中，如果没有数据，会直接返回，而不会被阻塞。非阻塞模式还是阻塞模式是由套接字（Socket）的属性决定的，而这个属性是由应用程序在创建或配置套接字时主动设置的。
然后又让我联系到NIO和BIO。NIO就是非阻塞读，BIO就是阻塞读。在我的知识库里还浅显的知道netty是Java NIO框架。
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一个网络连接在程序中体现为一个 Socket 对象。
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在BIO模式下：一个线程在执行这些IO操作时，如果条件不满足（如无数据可读），线程会被挂起，这个线程也就被这个Socket独占，无法去处理其他Socket。因此是 “一个线程一个连接”。
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在NIO模式下：通过Selector（选择器），一个线程可以轮询无数个Socket，只去处理那些已经“就绪”（有数据可读、可以写入数据等）的Socket上的IO操作。因为操作不会阻塞，线程可以快速地在所有就绪的连接之间切换。因此是 “一个线程多个连接”。
接着，我又提出疑惑，用户在浏览器发送HTTP请求到服务端与TCP的关系？
答案是：HTTP协议是建立在TCP协议之上的。浏览器发送HTTP请求之前，必须先在网络上建立一条可靠的TCP连接作为“通道”。
当TCP三次握手成功建立好连接后，浏览器通过调用操作系统的 write() 或 send() 函数，将这个HTTP报文写入到本地的TCP Send Buffer（发送缓冲区） 中。操作系统的TCP/IP协议栈会负责将Send Buffer里的数据（即你的HTTP请求）分割成多个TCP段（Segment），通过之前建立的TCP连接这个“通道”， 可靠地发送给服务器。服务器的Web服务器程序（如Nginx、Tomcat）调用 read() 从Receive Buffer中读取到的就是一整个完整的HTTP请求报文。
当Receive Buffer中有数据时，我们继续分析Java服务器（如Tomcat的NIO连接器、Netty）是怎么NIO的：
HTTP/1.0 (短连接模式) vs HTTP/1.1 Keep-Alive (持久连接) vs WebSocket
- 没有Keep-Alive时： 一个TCP连接 只用于传输 一对 HTTP请求/响应。
- 有Keep-Alive时： 一个TCP连接 可以用于传输 多对 HTTP请求/响应。只有当这条连接空闲时间超过超时时间，才会被关闭。
HTTP/1.1 Keep-Alive (持久连接) vs WebSocket
HTTP/1.1 Keep-Alive 和 WebSocket 都复用了底层的TCP连接，但是二者区别如下：
| 特性 | HTTP/1.1 Keep-Alive | WebSocket |
|---|---|---|
| 通信模式 | 半双工（Half-Duplex）：请求-响应循环。必须客户端先发起，服务器才能响应。严格的一问一答。 | 全双工（Full-Duplex）：客户端和服务器完全平等，任何一方都可以在任何时候主动向对方发送数据。 |
| 服务器主动性 | 完全被动：服务器永远不能主动推送消息给客户端。客户端必须不断“轮询”询问。 | 完全主动：服务器可以随时主动向客户端推送消息。 |
| 协议开销 | 大：每个HTTP请求和响应都必须携带完整的、冗长的头部（如cookie、user-agent等），即使大部分是重复的。 | 极小：只在初始握手时有HTTP头。之后的数据传输使用轻量级的数据帧，头部长仅2-10字节。 |
| 设计目的 | 优化传统Web浏览的体验：减少重复建立TCP连接的开销，让一个页面中的多个资源（图片、CSS、JS）能更快加载。 | 实现实时双向Web应用：为在线聊天、实时游戏、股票行情、协同编辑等场景提供底层支持。 |
一个网页聊天室的实现可以很好的看出这两者的区别：
- 使用 HTTP/1.1 Keep-Alive：
- 你的浏览器（客户端）必须每隔一秒就向服务器发送一个请求：“有新消息吗？”（这叫轮询 Polling）。
- 服务器回答：“没有。” 或 “有，这里是消息。”
- 这个过程会产生大量无用的请求（问“有新消息吗？”），并且消息到达有延迟（最多要等1秒）。效率极低。
- 使用 WebSocket：
- 建立WebSocket连接。
- 然后，双方就保持沉默，直到有人说话。
- 你发送一条消息，服务器瞬间收到。
cket连接。 - 然后，双方就保持沉默，直到有人说话。
- 你发送一条消息，服务器瞬间收到。
- 另一个用户发送了一条消息，服务器立刻、主动地将这条消息推送到你的浏览器上，完全不需要你询问。