1 网络编程
1 阻塞
1.1 阻塞模式概述
- 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 会在通道中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
- 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
1.2 阻塞模式模拟
- 服务器端
public class BlockServer {
public static void main(String[] args) {
// 创建缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 获得服务器通道
try (ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open()) {
// 为服务器通道绑定端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 用户存放连接的集合
ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
// 循环接收连接
while (true){
System.out.println("before connecting...");
// 没有连接时，会阻塞线程
SocketChannel sc = ssc.accept();
System.out.println("after connecting...");
channels.add(sc);
// 循环遍历集合中的连接
for (SocketChannel channel : channels) {
System.out.println("before read...");
// 处理通道中的数据
// 当通道中没有数据可读时，会阻塞线程
channel.read(buffer);
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
buffer.clear();
System.out.println("after read...");
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- 客户端
public class BlockClient {
public static void main(String[] args) {
try (SocketChannel sc = SocketChannel.open()) {
// 建立连接
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
System.out.println("waiting...");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- 运行结果
- 客户端-服务器建立连接前：因accept阻塞等待客户端连接
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- 客户端-服务器建立连接后，客户端发送消息前：服务器端因通道为空被阻塞
image-20210712195529436.png
- 客户端发送数据后，服务器处理通道中的数据。再次进入循环时，再次被accept阻塞
image-20210712195658609.png
- 之前的客户端再次发送消息，服务器端因为被accept阻塞，无法处理之前客户端发送到通道中的信息
image-20210712195828388.png
2 非阻塞
- 可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接，accept会返回null
- 可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读，read会返回0
public class UnblockServer {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
try (ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open()) {
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 设置为非阻塞模式
ssc.configureBlocking(false);
ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true){
// 没有连接时返回null，不会阻塞线程
SocketChannel sc = ssc.accept();
if (sc !=null){
System.out.println("connected "+ sc);
// 设置为非阻塞模式
sc.configureBlocking(false);
channels.add(sc);
}
for (SocketChannel channel : channels) {
//若通道中没有数据，会返回0，不会阻塞线程
int read = channel.read(buffer);
if (read > 0){
System.out.println("read "+ read);
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
buffer.clear();
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
注意：这样写存在一个问题，因为设置为了非阻塞，会一直执行while(true)中的代码，CPU一直处于忙碌状态，会使得性能变低，所以实际情况中不使用这种方法处理请求
3 多路复用 Selector
单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用
- 多路复用仅针对网络 IO，普通文件 IO 无法利用多路复用
- 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证
- 有可连接事件时才去连接
- 有可读事件才去读取
- 有可写事件才去写入
- 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件
3.1 处理accept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
- 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
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//1.创建selector，管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
//2.建立 selector 和 channel 之间的联系（注册）
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
System.out.println("register key: " + sscKey);
// key 关注 accept 事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
//3.select方法，没有事件发生，线程阻塞；有事件，线程才会恢复运行
selector.select();
//4.处理事件，selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
System.out.println("key: " + key);
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
System.out.println(sc);
}
}
}
}
3.2 处理read事件
- 在Accept事件中，若有客户端与服务器端建立了连接，需要将其对应的SocketChannel设置为非阻塞，并注册到选择器中
- 添加Read事件，触发后进行读取操作
public class Demo02 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
System.out.println("register key: " + sscKey);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
System.out.println("key: " + key);
//5.区分事件类型
if (key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc);
} else if (key.isReadable()){ //如果是read事件
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
}
}
}
}
}
注意：存在问题，当客户端连接后，往通道写入数据后，会造成服务器端出现空指针异常。
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3.3 删除事件
- 当处理完一个事件后，一定要调用迭代器的remove方法移除对应事件，否则会出现错误
- 当选择器中的通道对应的事件发生后，selecionKey会被放到另一个集合中，但是selecionKey不会自动移除，所以需要我们在处理完一个事件后，通过迭代器手动移除其中的selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理，例如上述程序中还会进入accept的处理逻辑中，此时accept方法未获取到有效连接，返回null，导致引发空指针异常
- 优化上述代码，解决异常
public class Demo03 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
System.out.println("register key: " + sscKey);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
selector.select();
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，否则下次处理会出现问题
iter.remove();
System.out.println("key: " + key);
//5.区分事件类型
if (key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc);
} else if (key.isReadable()){ //如果是read事件
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
}
}
}
}
}
正确接收数据
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3.4 断开处理
- 当客户端与服务器之间的连接断开时，会给服务器端发送一个读事件，对异常断开和正常断开需要加以不同的方式进行处理
- 正常断开：正常断开时，服务器端的channel.read(buffer)方法的返回值为-1，所以当结束到返回值为-1时，需要调用key的cancel方法取消此事件，并在取消后移除该事件
- 异常断开：异常断开时，会抛出IOException异常， 在try-catch的catch块中捕获异常并调用key的cancel方法即可 （tips：macOs系统不会触发这个异常）
- 优化上述代码，解决断开问题
public class Demo04 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
System.out.println("register key: " + sscKey);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
System.out.println("key: " + key);
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc);
} else if (key.isReadable()){
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
int read = channel.read(buffer);
//如果正常断开，客户端还会发送一个读事件 read方法返回 -1
if (read == -1){
System.out.println("cancel normal...");
key.cancel();
}else {
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
}
}catch (IOException e){
e.printStackTrace();
//如果异常断开，客户端还会发送一个读事件，异常被捕捉，将key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）
key.cancel();
}
}
}
}
}
}
3.5 消息边界
3.5.1 不处理消息边界存在的问题
将缓冲区的大小设置为4个字节，发送2个汉字（你好），通过decode解码并打印时，会出现乱码
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这是因为UTF-8字符集下，1个汉字占用3个字节，此时缓冲区大小为4个字节，一次读时间无法处理完通道中的所有数据，所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送，解码时就会出现问题
3.5.2 处理消息边界的三种方法
- 传输的文本边界可能有以下三种情况
- 文本大于缓冲区大小
- 此时需要将缓冲区进行扩容
- 发生半包现象
- 发生粘包现象
- 文本大于缓冲区大小
20210415103442.png
- 三种解决思路
- 固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，当发送的数据较少时，需要将数据进行填充，直到长度与消息规定长度一致。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，需要一个一个字符地去匹配分隔符
- TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据（也就是在消息开头用一些空间存放后面数据的长度），如HTTP请求头中的Content-Type与Content-Length。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
20210415103926.png
下文的消息边界处理方式为第二种：按分隔符拆分
3.5.3 附件与扩容
Channel的register方法还有第三个参数：附件，可以向其中放入一个Object类型的对象，该对象会与登记的Channel以及其对应的SelectionKey绑定，可以从SelectionKey获取到对应通道的附件
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
可通过SelectionKey的attachment()方法获得附件
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
我们需要在Accept事件发生后，将通道注册到Selector中时，对每个通道添加一个ByteBuffer附件，让每个通道发生读事件时都使用自己的通道，避免与其他通道发生冲突而导致问题
// 设置为非阻塞模式，同时将连接的通道也注册到选择器中，同时设置附件
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 添加通道对应的Buffer附件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
当Channel中的数据大于缓冲区时，需要对缓冲区进行扩容操作。此代码中的扩容的判定方法：Channel调用compact方法后的position与limit相等，说明缓冲区中的数据并未被读取（容量太小），此时创建新的缓冲区，其大小扩大为两倍。同时还要将旧缓冲区中的数据拷贝到新的缓冲区中，同时调用SelectionKey的attach方法将新的缓冲区作为新的附件放入SelectionKey中
// 如果缓冲区太小，就进行扩容
if (buffer.position() == buffer.limit()) {
ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
// 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
ewBuffer.put(buffer);
// 将新buffer作为附件放到key中
key.attach(newBuffer);
}
改造后的服务器代码如下：
public class Demo05 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
System.out.println("register key: " + sscKey);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
System.out.println("key: " + key);
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
//设置附件
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println(sc);
} else if (key.isReadable()){
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
int read = channel.read(buffer);
if (read == -1){
System.out.println("cancel normal...");
key.cancel();
}else {
// 通过分隔符来分隔buffer中的数据
split(buffer);
// 如果缓冲区太小，就进行扩容
if (buffer.position() == buffer.limit()){
ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
// 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
buffer.flip();
newBuffer.put(buffer);
// 将新buffer放到key中作为附件
key.attach(newBuffer);
}
}
}catch (IOException e){
e.printStackTrace();
key.cancel();
}
}
}
}
}
public static void split(ByteBuffer buffer){
// 切换为读模式
buffer.flip();
for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
// 遍历寻找分隔符
// get(i)不会移动position
if (buffer.get(i) == '\n'){
// 缓冲区长度
int length = i + 1 - buffer.position();
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
// 将前面的内容写入target缓冲区
for (int j = 0; j < length; j++) {
// 将buffer中的数据写入target中
target.put(buffer.get());
}
ByteBufferUtil.debugAll(target);
}
}
// 切换为写模式，但是缓冲区可能未读完，这里需要使用compact
buffer.compact();
}
}
3.5.4 ByteBuffer的大小分配
- 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
- 分配思路可以参考
- 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
- 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
3.6 处理write事件
服务器通过Buffer向通道中写入数据时，可能因为通道容量小于Buffer中的数据大小，导致无法一次性将Buffer中的数据全部写入到Channel中，这时便需要分多次写入，具体步骤如下
- 执行一次写操作，将buffer中的内容写入到SocketChannel中，然后判断Buffer中是否还有数据
- 若Buffer中还有数据，则需要将SockerChannel注册到Seletor中，并关注写事件，同时将未写完的Buffer作为附件一起放入到SelectionKey中
- 添加写事件的相关操作
key.isWritable()，对Buffer再次进行写操作- 每次写后需要判断Buffer中是否还有数据（是否写完）。若写完，需要移除SelecionKey中的Buffer附件，避免其占用过多内存，同时还需移除对写事件的关注
- Server端程序：
public class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true){
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()){
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
// 准备写入的数据
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 50000000; i++) {
sb.append("a");
}
ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(sb.toString());
// 先执行一次Buffer->Channel的写入，如果未写完，就添加一个可写事件
int write = sc.write(buffer);
System.out.println(write);
// 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
if (buffer.hasRemaining()){
//关注可写事件
scKey.interestOps(scKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
//将buffer添加到key的附件中
scKey.attach(buffer);
}
//监听注册的写事件
}else if (key.isWritable()){
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
// 执行写操作
int write = channel.write(buffer);
System.out.println(write);
// 如果已经完成了写操作，需要移除key中的附件，同时不再对写事件感兴趣
if (!buffer.hasRemaining()){
System.out.println("finish...");
key.attach(null);
key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
}
}
}
}
- Client端程序：
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
int count = 0;
while (true){
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024*1024);
count += sc.read(buffer);
buffer.clear();
System.out.println(count);
}
}
}
3.7 多线程优化Selector
充分利用多核CPU，分两组选择器
- 单线程配一个选择器（Boss），专门处理 accept 事件
- 创建 cpu 核心数的线程（Worker），每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件
实现流程：
- 创建一个负责处理Accept事件的Boss线程，与多个负责处理Read事件的Worker线程
-
Boss线程执行的操作
- 接受并处理Accept事件，当Accept事件发生后，调用Worker的register(SocketChannel socket)方法，让Worker去处理Read事件，其中需要根据标识robin去判断将任务分配给哪个Worker
- register(SocketChannel socket)方法会通过同步队列完成Boss线程与Worker线程之间的通信，让SocketChannel的注册任务被Worker线程执行。添加任务后需要调用selector.wakeup()来唤醒被阻塞的Selector
-
Worker线程执行的操作
- 从同步队列中获取注册任务，并处理Read事件
public class MultiThreadServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 当前线程为Boss线程
Thread.currentThread().setName("boss");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
// 负责轮询Accept事件的Selector
Selector boss = Selector.open();
ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT);
// 创建固定数量的Worker
Worker[] workers = new Worker[4];
for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
workers[i] = new Worker("worker-"+i);
}
// 用于负载均衡的原子整数
AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
while (true){
boss.select();
Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
// BossSelector负责Accept事件
if (key.isAcceptable()){
// 建立连接
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
System.out.println("before read...");
// channel注册到Worker的Selector中
// 负载均衡，轮询分配Worker
workers[robin.getAndIncrement()%workers.length].register(sc);
System.out.println("after read...");
}
}
}
}
static class Worker implements Runnable{
private String name;
private Thread thread;
private volatile Selector selector;
private volatile boolean started = false;
//同步队列，用于Boss线程与Worker线程之间的通信
private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue;
public Worker(String name) {
this.name = name;
}
public void register(SocketChannel channel) throws IOException {
// 只启动一次
if (!started){
thread = new Thread(this,name);
selector = Selector.open();
queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
thread.start();
started = true;
}
// 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
// 在Worker线程中执行注册事件
queue.add(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
} catch (ClosedChannelException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
// 唤醒被阻塞的Selector
// select类似LockSupport中的park，wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
selector.wakeup();
}
@Override
public void run() {
while (true){
try {
selector.select();
// 通过同步队列获得任务并运行
Runnable task = queue.poll();
if (task!=null){
// 获得任务，执行注册操作
task.run();
}
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()){
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
// Worker只负责Read事件
if (key.isReadable()){
// 简化处理，省略细节
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
channel.read(buffer);
buffer.flip();
ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
四 BIO/NIO/AIO
1 Stream和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
- 虽然Stream是单向流动的，但是它也是全双工的
2 IO模型
- 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
- 例如：线程调用一个方法后，需要等待方法返回结果
- 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程返回结果（至少两个线程）
- 例如：线程A调用一个方法后，继续向下运行，运行结果由线程B返回
当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会由用户态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
2.1 阻塞IO
- 用户线程进行read操作时，需要等待操作系统执行实际的read操作，此期间用户线程是被阻塞的，无法执行其他操作
20210418151605.png
2.2 非阻塞IO
- 用户线程在一个循环中一直调用read方法，若内核空间中还没有数据可读，立即返回
- 只是在等待阶段非阻塞
- 用户线程发现内核空间中有数据后，等待内核空间执行复制数据，待复制结束后返回结果
- 在复制数据阶段阻塞
20210418152137.png
2.3 多路复用
-
Java中通过Selector实现多路复用
- 当没有事件时，调用select方法会被阻塞住
- 一旦有一个或多个事件发生后，就会处理对应的事件，从而实现多路复用
-
多路复用与阻塞IO的区别
- 阻塞IO模式下，若线程因accept事件被阻塞，发生read事件后，仍需等待accept事件执行完成后，才能去处理read事件
- 多路复用模式下，一个事件发生后，若另一个事件处于阻塞状态，不会影响该事件的执行
20210418154208.png
2.4 异步IO
- 线程1调用方法后立刻返回，不会被阻塞也不需要立即获取结果
- 当方法的运行结果出来以后，由线程2将结果返回给线程1
- 异步和异步IO是有区别的，个人理解：异步表示方法的异步执行，在netty中存在大量异步方法，但是异步IO只狭义的表示IO操作是异步执行的，thread1请求IO操作后，直接返回继续之后的任务，由操作系统的thread2来负责返回调用结果，解决了在复制数据阶段的线程阻塞问题
20210418160106.png
3 零拷贝
零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中，同时具有以下三个优点
- 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
3.1 传统IO
- 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）的读操作，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
- 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
- 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
- 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，调用操作系统的写操作，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
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3.2 NIO 优化
通过 DirectByteBuf
- ByteBuffer.allocate(10)
- 底层对应 HeapByteBuffer，使用的还是 Java 内存
- ByteBuffer.allocateDirect(10)
- 底层对应DirectByteBuffer，使用的是操作系统内存
大部分步骤与优化前相同，唯有一点：Java 可以使用 DirectByteBuffer 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
- DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 当引用的对象ByteBuffer被垃圾回收以后，虚引用对象Cleaner就会被放入引用队列中，然后调用Cleaner的clean方法来释放直接内存
- DirectByteBuffer 的释放底层调用的是 Unsafe 的 freeMemory 方法
- 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
- DirectByteBuffer 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 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
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3.3 Linux优化1
以下两种方式都是零拷贝，即无需将数据拷贝到用户缓冲区中（JVM内存中）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
这种方法下
- 只发生了1次用户态与内核态的切换
- 数据拷贝了 3 次
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3.4 Linux优化2
- 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1次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次
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4 AIO
AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题
- 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置
- 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果
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