NIO基础-Selector，Nio概念
文章目录
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- 4. 网络编程
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- 4.1 非阻塞 vs 阻塞
-
- 阻塞
- 非阻塞
- 4.2 Selector
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- 创建
- 向Selector注册通道
- 监听 Channel 事件
- select 何时不阻塞
- 4.3 处理 accept 事件
-
- 事件发生后能否不处理
- cancel 的作用
- 4.3 处理 read 事件
-
- 为何要 iter.remove()
- 什么时候要 cancel
- 处理消息的边界
- ByteBuffer 大小分配
- 4.5 处理 write 事件
-
- 一次无法写完例子
- write 为何要取消
- 4.6 更进一步
-
- 利用多线程优化
- 如何拿到 cpu 个数
- 5. NIO vs BIO
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- 5.1 stream vs channel
- 5.2 IO 模型
- 5.3 零拷贝
-
- 传统 IO 问题
- NIO 优化
- 文件 AIO
- 守护线程
4. 网络编程
4.1 非阻塞 vs 阻塞
阻塞
- 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
- ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
- SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
- 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
- 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
- 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
- 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
- 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接
测试阻塞模式
服务端代码
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
//绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8088));
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
log.debug("connecting...");
//accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
SocketChannel sc = ssc.accept();//阻塞
log.debug("connected... {}", sc);
channels.add(sc);
for (SocketChannel channel : channels) {
//接收客户端数据
log.debug("before read... {}", channel);
channel.read(buffer);//阻塞
buffer.flip();
debugRead(buffer);
buffer.clear();
log.debug("after read...{}", channel);
}
}
}
}
客户端代码
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8088));
System.out.println("123");
}
}
测试流程：启动服务端，给客户端打上断点，然后控制台发送消息，可以看到此时服务端已经打印出消息了，再次发送消息，服务端没反应，原因是ssc.accept()是阻塞的，再开启一个客户端，可以看到服务端打印了第二次发的消息
非阻塞
- 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
- 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
- SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
- 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
- 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu
- 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）
服务器端代码，客户端代码不变
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);//配置accept非阻塞
//绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8088));
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
//accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
SocketChannel sc = ssc.accept();//非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null
if (sc != null) {
log.debug("connected... {}", sc);
sc.configureBlocking(false);//配置read非阻塞
channels.add(sc);
}
for (SocketChannel channel : channels) {
//接收客户端数据
int read = channel.read(buffer);//非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0
if (read > 0) {
buffer.flip();
debugRead(buffer);
buffer.clear();
log.debug("after read...{}", channel);
}
}
}
}
}
测试流程：启动服务端，给客户端打上断点，连续启动两个客户端，发现服务端控制台都打印了连接信息，可证明ssc.accept()是非阻塞的了，再用任意一个客户端控制台发消息，发两次，可以看到服务端控制台打印了消息，可证明channel.read也是非阻塞的了
4.2 Selector
好处
- 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
- 让这个线程能够被充分利用
- 节约了线程的数量
- 减少了线程上下文切换
创建
通过调用Selector.open()方法创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
向Selector注册通道
为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);
- channel 必须工作在非阻塞模式
- FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用
- 绑定的事件类型可以有
- connect - 客户端连接成功时触发
- accept - 服务器端成功接受连接时触发
- read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
- write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况
监听 Channel 事件
可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件
方法1，阻塞直到绑定事件发生
int count = selector.select();
方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）
int count = selector.select(long timeout);
方法3，不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件
int count = selector.selectNow();
select 何时不阻塞
- 事件发生时
- 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
- 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件
- channel 可写，会触发 write 事件
- 在 linux 下 nio bug 发生时
- 调用 selector.wakeup()
- 调用 selector.close()
- selector 所在线程 interrupt
4.3 处理 accept 事件
客户端代码不变，服务端代码如下
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建selector
Selector selector = Selector.open();
//创建服务端，并设置非阻塞
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
//建立selector和channel的联系（channel注册到selector上）
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
//只关注accept类型的事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
log.info("sscKey:{}", sscKey);
while (true) {
//没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行
//有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞
selector.select();
//处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
log.info("key:{}", key);
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
log.info("sc:{}", sc);
//key.cancel();
}
}
}
}
事件发生后能否不处理
事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发
cancel 的作用
cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件
4.3 处理 read 事件
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建selector
Selector selector = Selector.open();
//创建服务端，并设置非阻塞
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
//建立selector和channel的联系（channel注册到selector上）
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
//只关注accept类型的事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
log.info("sscKey:{}", sscKey);
while (true) {
//没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行
//有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞
selector.select();
//处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 处理key 时，要从 selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题
iter.remove();
log.info("key:{}", key);
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
//建立连接并设置非阻塞
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
//注册到selector上，只关注read事件
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
log.info("sc:{}", sc);
} else if (key.isReadable()) {
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
int read = channel.read(buffer);//客户端正常断开，read方法返回值-1
if (read == -1) {
log.info("客户端断开连接");
key.cancel();
} else {
buffer.flip();
debugRead(buffer);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//因为客户端异常断开了，因此需要将key 取消，从 selector 的 keys 合中真正删除 key
key.cancel();
}
}
}
}
}
}
为何要 iter.remove()
因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如
- 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
- 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常
什么时候要 cancel
客户端断开时会产生一个读事件，如果不处理，就会一直执行，所以需要cancel取消这个key
- 正常断开：通过read方法检测客户端正常断开，取消key
- 异常断开：try-catch捕获异常，防止客户端异常断开造成服务端挂掉
处理消息的边界
- 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
- 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
- TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
- Http 1.1 是 TLV 格式
- Http 2.0 是 LTV 格式
服务端代码
@Slf4j
public class Server {
private static void split(ByteBuffer source) {
source.flip();
for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
// 找到一条完整消息
if (source.get(i) == '\n') {
int length = i + 1 - source.position();
// 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
// 从 source 读，向 target 写
for (int j = 0; j < length; j++) {
target.put(source.get());
}
debugAll(target);
}
}
source.compact(); // 0123456789abcdef position 16 limit 16
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
//创建selector
Selector selector = Selector.open();
//创建服务端，并设置非阻塞
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
//建立selector和channel的联系（channel注册到selector上）
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
//只关注accept类型的事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
log.info("sscKey:{}", sscKey);
while (true) {
//没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行
//有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞
selector.select();
//处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 处理key 时，要从 selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题
iter.remove();
log.info("key:{}", key);
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
//建立连接并设置非阻塞
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
// 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
log.info("sc:{}", sc);
} else if (key.isReadable()) {
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
// 获取 selectionKey 上关联的附件
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
int read = channel.read(buffer);//客户端正常断开，read方法返回值-1
if (read == -1) {
log.info("客户端断开连接");
key.cancel();
} else {
split(buffer);
// 需要扩容
if (buffer.position()==buffer.limit()){
ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
buffer.flip();
newBuffer.put(buffer);
key.attach(newBuffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//因为客户端异常断开了，因此需要将key 取消，从 selector 的 keys 合中真正删除 key
key.cancel();
}
}
}
}
}
}
客户端代码
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
sc.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("0123456789abcdef3333\n"));
System.out.println("123");
}
}
ByteBuffer 大小分配
- 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
- ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
- 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
- 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗
4.5 处理 write 事件
一次无法写完例子
- 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）
- 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
- 当消息处理器第一次写入消息时，未写完才将 channel 注册到 selector 上
- selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册
- 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件
write 为何要取消
在I/O多路复用中，写事件（Write Event）的生成通常与操作系统的套接字缓冲区状态有关。如果缓冲区有足够的空间，就会生成写事件。应用程序需要监测这些写事件，并在有数据可写入时将数据写入套接字，然后取消写事件以避免无限触发。这是一种有效的机制，确保数据写入不会阻塞，同时避免不必要的CPU负载。
服务端代码
public class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, null);
sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
// 1. 向客户端发送大量数据
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 8000000; i++) {
sb.append("a");
}
ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
// 2. 返回值代表实际写入的字节数
int write = sc.write(buffer);
System.out.println(write);
// 3. 判断是否有剩余内容
if (buffer.hasRemaining()) {
// 4. 关注可写事件 1 4
sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
// sckey.interestOps(sckey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
// 5. 把未写完的数据挂到 sckey 上
sckey.attach(buffer);
}
} else if (key.isWritable()) {
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//当调用sc.write(buffer)时，写入的数据会从ByteBuffer中清除
int write = sc.write(buffer);
System.out.println(write);
//debugAll(buffer);
// 6. 清理操作
if (!buffer.hasRemaining()) {
key.attach(null); // 需要清除buffer
key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);//不需关注可写事件
}
}
}
}
}
}
客户端代码
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
// 3. 接收数据
int count = 0;
while (true) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
count += sc.read(buffer);
System.out.println(count);
buffer.clear();
}
}
}
4.6 更进一步
利用多线程优化
现在都是多核 cpu，设计时要充分考虑别让 cpu 的力量被白白浪费
前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核 cpu，如何改进呢？
分两组选择器
- 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件
- 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件
boss只处理连接，worker只处理读写，而且是多个worker同时工作
服务端代码
@Slf4j
public class MultiServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread.currentThread().setName("boss");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
Selector boss = Selector.open();
ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
Worker worker = new Worker("worker-0");
worker.register();
while (true) {
boss.select();
Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress());
//关联自定义selector
log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress());
sc.register(worker.selector, SelectionKey.OP_READ, null);
log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress());
}
}
}
}
static class Worker implements Runnable {
private Thread thread;
private Selector selector;
private String name;
private volatile boolean start = false;
public Worker(String name) {
this.name = name;
}
//初始化线程和selector
public void register() throws IOException {
//保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行
if (!start) {
//selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针
selector = Selector.open();
thread = new Thread(this, name);
thread.start();
start = true;
}
}
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isReadable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
log.info("read...,{}", channel.getRemoteAddress());
channel.read(buffer);
buffer.flip();
debugAll(buffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
客户端代码
public class MultiClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
sc.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("123456789"));
System.out.println("123");
}
}
先启动服务端，再启动客户端，可以看到结果有问题
优化服务端代码：
@Slf4j
public class MultiServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread.currentThread().setName("boss");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
Selector boss = Selector.open();
ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
Worker worker = new Worker("worker-0");
while (true) {
boss.select();
Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress());
//关联自定义selector
log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress());
worker.register(sc);
log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress());
}
}
}
}
static class Worker implements Runnable {
private Thread thread;
private Selector selector;
private String name;
private volatile boolean start = false;
private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
public Worker(String name) {
this.name = name;
}
//初始化线程和selector
public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
//保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行
if (!start) {
//selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针
selector = Selector.open();
thread = new Thread(this, name);
thread.start();
start = true;
}
//将任务放入队列中，在另一个线程中指定位置取出执行
queue.add(() -> {
try {
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
} catch (ClosedChannelException e) {
e.printStackTrace();
}
});
//selector.wakeup() 的作用是在调用它后，立即将阻塞在 select() 上的线程唤醒，
// 即使没有事件发生。这可以用来中断 select() 方法的阻塞，
// 以便在需要的时候立即重新注册或取消注册事件，而不必等待 select() 方法的自然返回。
selector.wakeup();
}
@Override
public void run() {
while (true) {
try {
selector.select();
Runnable task = queue.poll();
if (Objects.nonNull(task)) {
task.run();
}
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isReadable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
log.info("read...,{}", channel.getRemoteAddress());
channel.read(buffer);
buffer.flip();
debugAll(buffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
另一种实现，只需在register方法中执行selector.wakeup();即可
public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
//保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行
if (!start) {
//selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针
selector = Selector.open();
thread = new Thread(this, name);
thread.start();
start = true;
}
//selector.wakeup() 的作用是在调用它后，立即将阻塞在 select() 上的线程唤醒，
// 即使没有事件发生。这可以用来中断 select() 方法的阻塞，
// 以便在需要的时候立即重新注册或取消注册事件，而不必等待 select() 方法的自然返回。
selector.wakeup();
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
}
多线程的一种使用，让一段代码在另一个线程指定位置执行
private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
//放入队列中，等待执行
queue.add(() -> {
try {
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
} catch (ClosedChannelException e) {
e.printStackTrace();
}
});
//指定位置取出执行
Runnable task = queue.poll();
if (Objects.nonNull(task)) {
task.run();
}
增加多个worker处理事件
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread.currentThread().setName("boss");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
Selector boss = Selector.open();
ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
workers[i] = new Worker("worker-" + i);
}
AtomicInteger index = new AtomicInteger();
while (true) {
boss.select();
Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress());
//关联自定义selector
log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress());
workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);
log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress());
}
}
}
}
如何拿到 cpu 个数
- Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数
- 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启
5. NIO vs BIO
5.1 stream vs channel
- stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
- stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
- 二者均为全双工，即读写可以同时进行
5.2 IO 模型
同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞
- 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
- 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）
当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：
-
等待数据阶段
-
复制数据阶段
-
阻塞 IO
-
非阻塞 IO
-
多路复用
-
信号驱动
-
异步 IO
-
阻塞 IO vs 多路复用
5.3 零拷贝
传统 IO 问题
传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出
File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);
Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);
内部工作流程是这样的：
-
java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu
DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO
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从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA
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调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
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接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的
- 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
- 数据拷贝了共 4 次
NIO 优化
通过 DirectByteBuf
- ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
- ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用
- 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
- java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
- DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
- 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少
进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据
- java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
- 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
- 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
可以看到
- 只发生了一次用户态与内核态的切换
- 数据拷贝了 3 次
进一步优化（linux 2.4）
- java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
- 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
- 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是再不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有
- 更少的用户态与内核态的切换
- 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
- 零拷贝适合小文件传输
文件 AIO
先来看看 AsynchronousFileChannel
@Slf4j
public class AioFileChannel {
public static void main(String[] args) throws IOException {
try (AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ)) {
// 参数1 ByteBuffer
// 参数2 读取的起始位置
// 参数3 附件
// 参数4 回调对象 CompletionHandler
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
log.debug("read begin...");
channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
@Override // read 成功
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
log.debug("read completed...{}", result);
attachment.flip();
debugAll(attachment);
}
@Override // read 失败
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
exc.printStackTrace();
}
});
log.debug("read end...");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
System.in.read();
}
}
结果
10:27:31 [DEBUG] [main] c.i.n.a.AioFileChannel - read begin...
10:27:31 [DEBUG] [main] c.i.n.a.AioFileChannel - read end...
10:27:31 [DEBUG] [Thread-3] c.i.n.a.AioFileChannel - read completed...14
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [14]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 31 32 33 34 35 36 37 38 39 30 61 62 63 64 00 00 |1234567890abcd..|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
可以看到
- 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-3
- 主线程并没有 IO 操作阻塞
守护线程
默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行 System.in.read() 以避免守护线程意外结束