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NIO面试题大全
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面试题汇总
Q：什么是同步、异步、阻塞、非阻塞？
Q：操作系统有哪些IO模型？
Q：多路复用IO模型系统怎么实现？select、poll、epoll区别？
Q：NIO比BIO相比有什么优势？
Q：NIO有哪些组件？
Q：NIO存在哪些问题？
Q：什么是零拷贝？
A： 一次IO的过程主要是：应用向操作系统发起IO指令（read、write），操作系统内核准备数据（把IO外部设备的数据，加载到内核缓冲区），准备完毕后将数据从内核空间复制到用户空间。
内核准备数据过程中，用户进程是否被阻塞
阻塞：用户进程直到内核数据准备完成，才返回
非阻塞：用户进程不等待内核数据准备完成，立即返回
将数据从内核空间复制到用户空间时，用户进程是否被阻塞
同步：用户进程等待数据从内核空间复制到用户空间
异步：用户进程不等待数据复制，内核复制完成后，发送信号通知进程
Q：操作系统有哪些IO模型？A： 有五种模型：阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号渠道IO、异步IO
阻塞IO：阻塞等待数据准备（阻塞），数据准备好后，等待数据从内核复制到用户空间（同步）
非阻塞IO：不等待数据准备（非阻塞），通过轮询方式判断数据准备好后，等待数据从内核复制到用户空间（同步）
多路复用IO：发生请求后，将socket注册到select，select轮询检查多个socket数据是否准备好（非阻塞），数据准备好后，等待数据从内核复制到用户空间（同步）
信号渠道IO：发生请求后，内核通过信号量标志数据是否准备好（非阻塞），数据准备好后，等待数据从内核复制到用户空间（同步）
异步IO：发生请求后，不等待数据准备（非阻塞），数据准备好后，内核将数据复制到用户空间，然后发送信号通知数据已经复制完成（异步）
Q：多路复用IO模型系统怎么实现？select、poll、epoll区别？A： 多路复用IO模型目前操作系统有select、poll、epoll三种方式
select：select函数仅仅知道有几个I/O事件发生了，但并不知道具体是哪几个socket连接有I/O事件，还需要轮询去查找，时间复杂度为O(n)，处理的请求数越多，所消耗的时间越长。
poll：poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的
epoll：epoll可以理解为event pool，不同与select、poll的轮询机制，epoll采用的是事件驱动机制，每个fd上有注册有回调函数，当网卡接收到数据时会回调该函数，同时将该fd的引用放入rdlist就绪列表中。
当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。
Q：NIO比BIO相比有什么优势？A：
1、BIO是面向流的传输；NIO是面向块传输，按块处理数据要比按字节处理数据快得多
2、BIO是采用同步阻塞机制，一个线程资源只能处理一个链接；NIO是采用多路复用IO，可以处理多个链接
3、NIO使用了零拷贝，提高了传输性能
Q：NIO有哪些组件？A：
1、Channel
Channel 是对数据的源头和数据目标点流经途径的抽象
ServerSocketChannel：用于监听新的TCP连接的通道，负责读取&相应，通常用于服务端的实现
SocketChannel：用于发起TCP连接，读写网络中的数据，通常用于客户端的实现
2、Selector
Selector是通道注册器，多个Channel均可以注册到Selector，Selector负责监听每个Channel的几个事件：链接就绪、写就绪、读就绪，当某个Channel注册就绪的事件发生，则Selector不再阻塞，返回事件集合，然后按事件不同分发处理
3、Buffer
Buffer就是一个内存块，底层是一个数组。Buffer提供了一组方法轻松使用内存块，Channel读取或写入数据都必须经过Buffer
Q：NIO存在哪些问题？A：
1、半包读写
TCP是面向连接的传输协议，TCP传输的数据是以流的形式，而数据流是没有明确的开始结尾边界，所以TCP也没办法判断哪一段流属于哪一个消息，故存在粘包和半包问题
2、断连重连
服务端出现异常时，客户端可能存在连接断开需重新连接的情况
Q：什么是零拷贝？A： 一次IO读写（如从硬盘发送网卡）的过程：应用发出read指令，CPU进行上下文切换，由用户态转为内核态，CPU通知DMA开始读取数据，DMA从磁盘读取数据到内核缓冲，DMA完成后，向CPU发出中断，CPU从内核缓冲复制到用户缓冲，复制完成后，read指令返回，CPU由内核态转为用户态。
应用发出write指令，CPU进行上下文切换，由用户态转为内核态，CPU从用户缓冲复制到socket缓冲，DMA将socket缓冲写入到网卡，写入完成后，write指令返回，CPU由内核态转为用户态。
故整个IO读写过程涉及两次系统调用，四次上下文切换
通过上面的过程，我们可以看出同样的数据，从内核缓存复制到用户缓冲，再复制到内核缓冲
操作系统提供了mmap，使得应用和操作系统可共享内核缓冲，此时就无需再将数据从内核缓冲复制到用户缓冲，发起write指令后，CPU直接从内核缓冲复制到socket缓冲
但mmap只是减少了一次CPU复制事件，操作系统提供sendfile函数可以减少一次系统调用，发起sendfile后，上下文切换到内核空间，DMA将数据复制到内核缓冲区，CPU将数据从内核缓冲复制到socket缓冲，再经由DMA从socket缓冲复制到网卡，sendfile指令返回，上下文切换到用户空间。
可以发现本次sendfile仅仅发生了2次上下文切换以及3次拷贝(2次DMA拷贝+1次CPU拷贝)
linux2.4版本后，对sendfile做了优化升级，引入SG-DMA技术，它可以直接从内核空间缓冲区中将数据读取到网卡，这样的话还可以省去CPU拷贝
CPU把内核缓冲区中的文件描述符信息（包括内核缓冲区的内存地址和偏移量）直接发送到socket缓冲区，DMA控制器根据文件描述符信息直接把数据从内核缓冲区拷贝到网卡
可以看到sendfile + DMA发生了2次上下文切换以及2次数据拷贝，全程没有通过CPU来搬运数据，所有的数据都是通过DMA进行传输的，实现了零拷贝
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