系统调用、IO模型与Java线程状态

IO模型与系统调用

阻塞IO：read()、write()
    用户进程发起IO请求后，如果数据未准备好，进程会阻塞，直到数据准备好并完成IO操作
非阻塞IO：fcntl() 设置非阻塞模式，然后使用read()、write()
    用户进程发起IO请求后，如果数据未准备好，进程不会阻塞，而是立即返回，并设置一个标志位，表示数据未准备好
IO多路复用：select()、poll()、epoll()，用于监控多个文件描述符的IO事件
    用户进程发起IO请求后，会注册一个或多个文件描述符的IO事件，然后等待这些事件的发生，当有事件发生时，内核会通知用户进程，用户进程可以继续进行IO操作
信号驱动IO：sigaction() 用于注册信号处理函数
    用户进程发起IO请求后，会向操作系统注册一个信号处理函数，当数据准备好时，内核会发送一个信号给用户进程，用户进程可以继续进行IO操作
异步IO：aio_read()、aio_write()，用于异步读写文件描述符
    用户进程发起IO请求后，会立即返回，内核会在数据准备好后，自动完成IO操作，并通知用户进程

select()、poll()、epoll()比较

select
实现方式：轮询所有文件描述符（线性遍历）
最大fd数量：受限于 FD_SETSIZE（默认 1024）
时间复杂度：O(n)（每次遍历所有 fd）
触发模式：仅支持水平触发（LT）
内核/用户数据拷贝：每次调用需拷贝全部 fd 集合

poll
实现方式：轮询所有文件描述符（链表结构）
最大fd数量：理论无限制（基于链表）
时间复杂度：O(n)
触发模式：仅支持水平触发（LT）
内核/用户数据拷贝：每次调用需拷贝全部 fd 集合

epoll(linux特有)
实现方式：事件驱动（仅处理活跃的 fd）
最大fd数量：仅受系统内存限制
时间复杂度：O(1) 或 O(活跃 fd 数)
触发模式：支持水平触发（LT）和边缘触发（ET）
内核/用户数据拷贝：仅注册一次，无需重复拷贝

水平触发与边缘触发

水平触发（LT）：只要 fd 就绪（如缓冲区有数据未读），会持续通知。
边缘触发（ET）：仅在 fd 状态变化时触发一次通知（如新数据到达）。

Java NIO的Selector 是基于水平触发（Level-Triggered，LT） 的事件通知机制。
Java NIO 在 Linux 上默认使用epoll，但强制使用水平触发模式（即使epoll支持 ET）。

水平触发的典型问题与优化
问题场景
未及时处理数据：若每次仅读取部分数据，Selector 会持续触发 OP_READ，导致无效循环。
频繁可写事件：若通道始终可写（如 TCP 发送缓冲区未满），OP_WRITE 会不断触发，浪费 CPU。
优化建议
读/写操作彻底：在 OP_READ 事件中循环读取到无数据，在 OP_WRITE 事件中注册/注销写事件。

Java线程状态

RUNNABLE状态
定义：线程正在执行或准备执行任务，可能正在运行或等待操作系统资源（如CPU时间片或I/O操作完成）
阻塞I/O时的表现‌：
当线程调用阻塞I/O方法（如InputStream.read()、Selector.select()）时，线程会被操作系统挂起，直到数据就绪。
‌在Java的线程状态模型中，此时线程仍显示为RUNNABLE(从JVM角度看线程仍然处于可运行状态，只是在等待底层OS完成IO操作)，但底层操作系统的线程状态可能是sleep。
因为JVM仅跟踪线程是否在等待JVM内部的资源（如锁），而不感知操作系统层面的I/O阻塞。

BLOCKED状态
定义：线程因‌等待进入同步块（synchronized）或获取对象锁‌而阻塞。
与I/O无关‌：BLOCKED状态仅与同步机制相关

WAITING和TIMED_WAITING 状态‌
触发条件‌：线程因调用Object.wait()、Thread.join()、LockSupport.park()等方法主动进入等待状态。
与I/O无关‌：这些状态是由线程主动发起的等待，而非I/O操作导致。

为什么阻塞I/O不显示为BLOCKED？‌
JVM与操作系统的分工‌：
JVM的线程状态模型仅反映线程在JVM内部的行为（如锁竞争、主动等待等）。
阻塞I/O由操作系统内核处理，JVM无法直接感知其阻塞细节，因此统一标记为RUNNABLE。

// 线程状态为RUNNABLE，即使I/O未就绪
InputStream in = new FileInputStream("file.txt");
int data = in.read(); // 阻塞直到数据可用