深入理解网络非阻塞 I/O：NIO

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文章所在专栏：网络 I/O
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前言

Unix/Linux 下可用的 I/O 模型有以下五种：

1. 阻塞式 I/O
2. 非阻塞式 I/O
3. I/O 复用(select、poll)
4. 信号驱动式 I/O(SIGIO)
5. 异步 I/O

在 Linux 中操作内核时，所有的无非三种操作，分别是输入、输出、报错输出

0-输入
1-输出
2-报错输出

一个输入操作通常包括两个不同的阶段：

• 等待数据准备好
• 从内核向进程复制数据

对于一个套接字（Socket）的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中；当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区，第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区

非阻塞式 I/O 模型

进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核：当所请求的 I/O 操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把本进程投入睡眠，而是返回一个错误

前三次调用 recvfrom 时没有数据可返回，因此内核转而立即返回一个 EWOULDBLOCK 错误；第四次调用 recvfrom 时已有一个数据报准备好，它被复制到应用进程缓冲区，于是 recvfrom 成功返回，接着处理数据

EWOULDBLOCK：E 是 Error，WOULD BLOCK 是可能会被阻塞的意思
表示当前没有数据可读或没有缓冲区可写，需要等待下一次读写事件再尝试读写，非阻塞模式下可以继续尝试读写

当一个应用进程像这样对一个非阻塞描述符，循环调用 recvfrom 时，我们称之为轮询（Polling）；应用进程持续轮询内核，以查看某个操作是否就绪；这么做往往耗费大量 CPU 时间，不过这种模型偶尔也会遇到，通常是在专门提供某一种功能的系统中才有.

图解分析

• 当有新的连接进来时，主线程负责执行 accept 连接客户端，clone 出一个子进程新的 sockfd 去 accept/read，等待其他客户端连接时是非阻塞的，读取客户端数据也是非阻塞的，只是返回给客户端是 EWOULDBLOCK 状态
• NIO 采用的处理方式：主线程阻塞去等待客户端连接，以非阻塞的方式为每个客户端读取数据

NIO 核心的参数设置：configureBlocking(false)

源码实践

Socket 服务端代码

package org.vnjohn.nio.server;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.LinkedList;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/2
 */
public class SocketNIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 链表集合存放所有的 socket client 实例
        LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>();
        // 服务端开启监听：接受客户端
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8090));
//        serverSocketChannel.configureBlocking(true);
        // OS  NONBLOCKING 只让接受客户端并不阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        System.out.println("step1: new ServerSocketChannel(8090)");
        while (true) {
            // 接受客户端的连接
            Thread.sleep(1000);
            // 不会阻塞
            // 在操作系统中返回：-1，在 Java 程序中返回 NULL
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            // accept 调用内核：
            // 1、没有客户端连接进来，返回值：在 BIO 时一直卡/阻塞着，但是在 NIO ，不卡着，返回 -1，NULL
            // 如果来客户端的连接，accept 返回的是这个客户端的 fd5
            if (socketChannel == null) {
                System.out.println(".....");
            } else {
                // 服务端 listen socket <连接请求三次握手后，通过 accept 得到连接的 sockfd>，连接 socket <连接后读写使用>
                socketChannel.configureBlocking(false);
                int port = socketChannel.socket().getPort();
                System.out.println("step2：client\t" + port);
                clients.add(socketChannel);
            }
            // 堆内：allocate -> HeapByteBuffer
            // 堆外：allocateDirect -> DirectByteBuffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096);

            // 遍历已经链接进来的客户端读写数据
            // 这里采用串行化的方式进行接收，可以更改为采用 BIO 方式，一个客户端抛出一个线程进行接收处理
            for (SocketChannel client : clients) {
                // 不会阻塞，返回：> 0、-1、0
                int num = client.read(buffer);
                if (num > 0) {
                    buffer.flip();
                    byte[] bufferByte = new byte[buffer.limit()];
                    buffer.get(bufferByte);
                    String b = new String(bufferByte);
                    System.out.println(client.socket().getPort() + " : " + b);
                    buffer.clear();
                }
            }
        }
    }
}

Socket 客户端代码

package org.vnjohn.nio.client;

import java.io.*;
import java.net.Socket;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/2
 */
public class SocketNIOClient {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Socket client = new Socket("172.16.249.10", 8090);
            client.setSendBufferSize(20);
            client.setTcpNoDelay(true);// false 优化,true 不优化
            client.setOOBInline(false);
            OutputStream out = client.getOutputStream();
            InputStream in = System.in;
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
            while (true) {
                String line = reader.readLine();
                if (line != null) {
                    byte[] bb = line.getBytes();
                    for (byte b : bb) {
                        out.write(b);
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

流程说明

172.16.249.10 是之前作为 node1 节点所在 IP

将以上两个 java 源文件上传到 node1 虚拟节点上，所在目录：/opt/java

1、在虚拟节点上安装好 Java 环境
2、将源文件所在的 package 包名，通过 vim 命令将 package 包名删除首行.
3、将 Java 源文件进行编译为 .class 文件 > javac SocketServer.java、javac SocketClient.java

configureBlocking

追踪应用程序与操作系统中的交互信息

cd /opt/java
strace -ff -o out java SocketNIOServer

正常的流程都是先 socket()、bind()、listen()、accept()

关于这四个函数的详细介绍可以阅读博主「网络 I/O」专栏中的另外一篇博文：
深入理解网络阻塞 I/O：BIO

先设置 configureBlocking = true，代表当前设置 SocketChannel 是阻塞式运行的

若设置 configureBlocking = true 时，观察追踪到操作系统的操作信息，能够详细看到我们的操作系统基于内核是一个阻塞态：

accept(4,：说明当前程序是阻塞运行的

再设置 configureBlocking = false，代表当前设置 SocketChannel 是非阻塞式运行的

accept(4, 0x7f8c0d4ee0, [28]) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
在操作系统侧，返回的是 -1，说明是非阻塞运行的

按照代码执行的逻辑来看，控制台会一直打印：…，说明当前 SocketChannel 是非阻塞运行的.

说明通过设置 configureBlocking = false 就可以实现不阻塞，若没有客户端进行连接在操作系统中返回的是 -1，而在 Java 中返回是 null

客户端连接

在 node2 节点：172.16.249.10，运行 SocketNIOClient 程序代码

1、移除首行 package 包名
2、cd /opt/java，编译 Java 源文件：javac SocketNIOClient.java
3、运行 Java 可执行程序：java SocketNIOClient

当客户端连接以后，就会在 out.pid 文件中分配一个文件描述符给到当前这个客户端，如下：

accept(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(32972), inet_pton(AF_INET6, “::ffff:172.16.249.11”, &sin6_a ddr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, [28]) = 5

当在客户端中发送数据时，比如：123456，在 out.pid 文件中会触发系统调用 R/W 读写

在 out.pid 文件中，会发现大量的 EAGAIN 字眼，代表当次资源暂不可用，这个操作可能等下次重试后可用

EAGAIN 官方定义：“Resource temporarily unavailable.” The call might work if you try again later. The macro EWOULDBLOCK is another name for EAGAIN; they are always the same in the GNU C Library.

EWOULDBLOCK 官方定义：“Operation would block.” In the GNU C Library, this is another name for EAGAIN (above). The values are always the same, on every operating system.

两者都代表含义是一样的，在 GUN C 库中，EWOULDBLOCK 的另外一个名称称之为 EAGAIN

C10K 问题

当 C10K 出现时，若有 1W 个客户端建立连接，在 BIO 时需要抛出 1W 个线程，此时就会造成资源消耗越多，任务调度就会变得越多，内核态用户态之间的切换也会越多

当在 NIO 时进行使用，在内核中又会出现另外一个问题，接着向下分析

源码

package org.vnjohn.nio.client;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.LinkedList;

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/12/2
 */
public class C10KClient {

    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>();
        InetSocketAddress serverAddr = new InetSocketAddress("172.16.249.10", 8090);
        // 端口号的问题：65535
        for (int i = 10000; i < 25000; i++) {
            try {
                SocketChannel client = SocketChannel.open();
                //  172.16.249.10:10000   172.16.249.10:8090
                client.bind(new InetSocketAddress("1172.16.249.10", i));
                client.connect(serverAddr);
                clients.add(client);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        for (int i = 25000; i < 50000; i++) {
            try {
                SocketChannel client = SocketChannel.open();
                //  172.16.249.10:25000   172.16.249.10:8090
                client.bind(new InetSocketAddress("172.16.249.10", i));
                client.connect(serverAddr);
                clients.add(client);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("total clients："+ clients.size());
        try {
            System.in.read();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

修改 SocketNIOServer 服务端代码，将两行代码注释

其目的是为了让服务端能够快速与客户端建立连接，而不是 1s 处理一个客户端连接，以便我们在 Linux 中来分析最大连接数

流程分析

1、先将 SocketNIOServer 休整的代码，重新编译执行：strace -ff -o out java SocketNIOServer

2、先 C10K 问题的客户端代码编译为 class 文件，然后通过 java 运行

3、接着观察几个情况

首先是观察 socket、TCP/IP 条目信息，可以看到有很多条类目，客户端->服务端之间的二元组信息「IP:端口」

观察服务端接收客户端连接的情况，是否保持正常

客户端在满足条件时，bind 客户端是处于正常状态的，而一旦超过了内核所配置的最大的大小以后，会发现会出现一个 Error 错误信息

java.net.SocketException: Too many open files

从异常信息上来看，意思是文件描述符超过了限制的大小.

错误排查

该错误是可以被修复的，但是修复了意义上不大，这种非阻塞运行的方式对内核这块的资源损耗还是很大的

java.net.SocketException: Too many open files

可打开的文件描述符大小是受内核配置的限制的，但它也是支持可配置的，查看命令：ulimit -a 或 ulimit -n

open files = 1024：一个进程最多可以打开 1024 个文件描述符

可通过 ulimit -SHn Xxx 命令来临时调整大小

• S：soft 软
• H：hard 硬
• n：文件描述符

调整后可以通过：ulimit -n 再查看修改后的大小

在内核中会根据上限的物理内存估算出一个总文件描述符大小

[root@node1 java]# cat /proc/sys/fs/file-max 
146266

BIO vs NIO

套接字的默认状态是阻塞的，当你未设置参数 configureBlocking 时，这就意味着当发出一个不能立即完成的套接字调用时，其进程被投入睡眠状态，等待相应操作完成

阻塞的套接字函数调用

可能阻塞的套接字调用可分为以下四类：

1. 输入操作，包括：read、readv、recv、recvfrom、recvmsg 五个函数

既然 TCP 是字节流协议，该进程的唤醒只要有一些数据到达，这些数据即可能是单个字节，也可以是一个完整的 TCP 分节中的数据，若想等到某个固定的数目的数据可读为止，需要调用的 readn 函数或者指定 MSG_WAITALL 标志

既然 UDP 是数据报协议，若一个阻塞的 UDP 套接字的接收缓冲区为空，对它调用输入函数的进程将被投入睡眠，直到有 UDP 数据报到达

若某个进程对一个阻塞的 TCP 套接字调用这些输入函数之一，而且该套接字的接收缓冲区中没有数据可读，该进程将被投入睡眠，直到有一些数据到达

对于非阻塞的套接字，若输入操作不能被满足（对于 TCP 套接字即至少有一个字节的数据可读，对于 UDP 套接字即有一个完整的数据报可读）响应调用将立即返回一个 EWOULDBLOCK ｜EAGAIN 错误

2. 输出操作，包括：write、writev、send、sendto、sendmsg 五个函数，对于一个 TCP 套接字，内核将从应用进程的缓冲区到该套接字的发送缓冲区复制数据

对于阻塞的套接字，若其发送缓冲区没有空间，进程将投入睡眠，直到有空间为止

对于一个非阻塞的 TCP 套接字，若其发送缓冲区中根据没有空间，输出函数调用将立即返回一个 EWOULDBLOCK ｜EAGAIN 错误，若其发送缓冲区有一些空间，返回值将是内核能够复制到该缓冲区中的字节数，该字节数也称之为不足计数

3. 接受外来连接，即 accept 函数

若对一个阻塞的套接字调用 accept 函数，并且尚无新的连接到达，调用进程将被投入睡眠

若对一个非阻塞的套接字调用 accept 函数，并且尚无新的连接到达，accept 调用将立即返回一个 EWOULDBLOCK ｜EAGAIN 错误

4. 发起外出连接，即用于 TCP 的 connect 函数，connect 同样可用于 UDP，不过它不能使一个 “真正” 连接建立起来，它只是使内核保存对端的 IP 地址、端口号

TCP 连接建立涉及到一个三次握手过程，而且 connect 函数一直要等到客户收到对于自己的 SYN -> ACK 为止才返回，这意味着 TCP 的每个 connect 总会阻塞其调用进程至少有一个到服务器的 RT 时间

若对于一个非阻塞的 TCP 套接字调用 connect，并且连接不会立即建立，连接的建立能照样发起（臂如：送出 TCP 三次握手的第一个分组）不过会返回一个 EINPROGRESS 错误

两者肉眼可见区别

BIO 会在主线程阻塞式的去接受一个 socket 客户端的连接，在操作系统内核中不会返回 -1，一直卡着不动： accept(4,

客户端读取数据时也是阻塞式的，没有 -1、0、>0，所以在使用 BIO 时要单独开辟新的线程去专门读取来自客户端的数据，而主线程只是阻塞式的负责接收来自客户端的连接；当客户端的连接很多时，线程的数量就会很多，线程之间的切换和任务频繁的调度就显而易见了.

主线程阻塞式接收客户端的连接：accept
每一个客户端有一个子线程负责去接收客户端的数据：read、readv

在 NIO 中，可配置式的支持配置阻塞或非阻塞，通过：configureBlocking 参数来进行配置，true：阻塞、false：非阻塞

1. accept 调用了操作系统内核有以下两种情况

当没有客户端连接进来时，在 BIO 时会一直阻塞着，但是在 NIO 时，操作系统内核层面会返回 -1，而在 Java 应用程序中会返回 NULL

当有客户端连接进来时，accept 返回的是分配给这个客户端的文件描述符 socketfd，Java 中返回的是一个 SocketChannel 对象

2. socket 对象分为以下两种：

服务端 ServerSocketChannel：连接请求三次握手完成后，该对象可以通过 accept 方法获取到客户端的 socket -> SocketChannel

客户端 SocketChannel：客户端与服务端之间建立好连接以后，通过该 socket 来负责读写数据使用

两者 socket 都需要配置为非阻塞式运行，才能够保证连接、读取数据都是非阻塞运行的！！！

NIO 为什么速度慢？

NIO 优势在于可以通过一个或多个线程来解决 N 个 IO 连接阻塞的问题

它的问题在于：在本篇博文通过 C10K 问题来模拟当其到达了 1W 个客户端，但是每次进行读取时都会循环一次，会带有 O(n) 复杂度的 recv 系统函数调用，可能在这些客户端中只有几个客户端是有数据的额，所以在这期间会有很多系统函数调用是没有意义的，浪费的只是系统的资源以及给操作系统内核带来没必要的压力

所以，从 NIO 来看，应该考虑的是只做那么有必要的事，没必要的事应该尽量的去避免它发生

总结

该篇博文主要介绍的是 I/O 模型中的非阻塞 I/O -> NIO，简要分析了 NIO 非阻塞式 I/O 简要的模型，通过图解分析的方式告知它与 BIO 之间的区别，通过实践代码的方式来分析非阻塞 I/O 在系统调用中所涉及到的流程，同时也介绍了 C10K 问题给非阻塞式 I/O 带来的不利之处，最后介绍了上篇 BIO 博文与 NIO 之间的相关的区别以及 NIO 为什么速度会慢的原因，希望能够得到你的支持，感谢三连

四元组唯一：源 IP、源端口、目标 IP、目标端口

愿你我都能够在寒冬中相互取暖，互相成长，只有不断积累、沉淀自己，后面有机会自然能破冰而行！

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