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title: NIO 基础
date: 2021/04/01 11:16

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NIO 基础

non-blocking io 非阻塞 IO。

一、三大组件

1.1 Channel & Buffer

channel 有一点类似于 stream（但 stream 只能单向的读或者写），它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层

graph LR
channel --> buffer
buffer --> channel

常见的 Channel 有

• FileChannel
• DatagramChannel
• SocketChannel
• ServerSocketChannel

buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有

• ByteBuffer
  • MappedByteBuffer
  • DirectByteBuffer
  • HeapByteBuffer
• ShortBuffer
• IntBuffer
• LongBuffer
• FloatBuffer
• DoubleBuffer
• CharBuffer

1.2 Selector

selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途

多线程版设计

graph TD
subgraph 多线程版
t1(thread) --> s1(socket1)
t2(thread) --> s2(socket2)
t3(thread) --> s3(socket3)
end

⚠️ 多线程版缺点

• 内存占用高
• 线程上下文切换成本高
• 只适合连接数少的场景

线程池版设计

graph TD
subgraph 线程池版
t4(thread) --> s4(socket1)
t5(thread) --> s5(socket2)
t4(thread) -.-> s6(socket3)
t5(thread) -.-> s7(socket4)
end

⚠️ 线程池版缺点

• 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接
• 仅适合短连接场景

selector 版设计

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）

graph TD
subgraph selector 版
thread --> selector
selector --> c1(channel)
selector --> c2(channel)
selector --> c3(channel)
end

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

二、ByteBuffer

有一普通文本文件 data.txt，内容为

1234567890abcd

使用 FileChannel 来读取文件内容，获取 FileChannel 有两种方式：

1. new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw").getChannel();

2. new FileInputStream("helloword/data.txt").getChannel();

   问题：这样获取的 Channel 可以向里面写数据吗？

   不能，会抛出如下异常：

   java.nio.channels.NonWritableChannelException
   at sun.nio.ch.FileChannelImpl.write(FileChannelImpl.java:201)
   at cn.x5456.nio.study.bf.ByteBufferTest.testReadFile(ByteBufferTest.java:24)

public void testReadFile() {
  try (FileChannel channel = new FileInputStream("helloword/data.txt").getChannel()) {
    // 创建时默认是写模式
    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
    while (true) {
      int len = channel.read(byteBuffer);
      log.debug("读取到的字节数为：「{}」", len);
      if (len == -1) {
        break;
      }
      // 切换到读模式
      byteBuffer.flip();
      while (byteBuffer.hasRemaining()) {
        log.debug("读到的字节为：「{}」", (char) byteBuffer.get());
      }

      // 切换回写模式
      byteBuffer.flip();
    }
  } catch (IOException e) {
  }
}

2.1 ByteBuffer 正确使用姿势

1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
2. 调用 flip() 切换至读模式
3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
5. 重复 1~4 步骤

2.2 ByteBuffer 结构

ByteBuffer 有以下重要属性

• capacity
• position：指针索引位置
• limit：当前读写的限制

一开始

image

写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态

image

flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制

image

读取 4 个字节后，状态

image

clear 动作发生后，状态

image

compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式

image

2.3 ByteBuffer 常见方法

分配空间

可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);

向 buffer 写入数据

有两种办法

• 调用 channel 的 read 方法
• 调用 buffer 自己的 put 方法

int readBytes = channel.read(buf);

和

buf.put((byte)127);

从 buffer 读取数据

同样有两种办法

• 调用 channel 的 write 方法
• 调用 buffer 自己的 get 方法

int writeBytes = channel.write(buf);

和

byte b = buf.get();

get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据

• 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0
• 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针

mark 和 reset

mark 记录 position 位置，reset 跳转到 mark 标记的位置。

注意：rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

字符串与 ByteBuffer 互转

public void testConvert() {
    // 字符串转 ByteBuffer
    // 方法一
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    buffer.put("hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    // 方法二，这种方式会自动把 bytebuffer 切换成读模式
    ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");

    // 方法三，这种方式会自动把 bytebuffer 切换成读模式
    ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

    // ByteBuffer 转字符串
    CharBuffer charBuffer = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer3);
    System.out.println(charBuffer.toString());

    // 如果不翻转过来则不会有数据，因为后面都是空的
    buffer.flip();
    CharBuffer charBuffer2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer);
    System.out.println(charBuffer2.toString());
}

注：Buffer 不是线程安全的

2.4 Scattering Reads

分散读取，有一个文本文件 3parts.txt

onetwothree

使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {
    FileChannel channel = file.getChannel();
    ByteBuffer a = ByteBuffer.allocate(3);
    ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(3);
    ByteBuffer c = ByteBuffer.allocate(5);
    channel.read(new ByteBuffer[]{a, b, c});
    a.flip();
    b.flip();
    c.flip();
    debug(a);
    debug(b);
    debug(c);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

结果

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6f 6e 65                                        |one             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 77 6f                                        |two             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 72 65 65                                  |three           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

2.5 Gathering Writes

使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {
    FileChannel channel = file.getChannel();
    ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4);
    ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4);
    channel.position(11);

    d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'});
    e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'});
    d.flip();
    e.flip();
    debug(d);
    debug(e);
    channel.write(new ByteBuffer[]{d, e});
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 6f 75 72                                     |four            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 69 76 65                                     |five            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

文件内容

onetwothreefourfive

2.6 练习

网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔
但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为

• Hello,world\n
• I'm zhangsan\n
• How are you?\n

变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)

• Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
• w are you?\n

黏包原因：攒一批数据再发送

半包原因：数据超出了接收方缓冲区的大小

现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据

public static void main(String[] args) {
    ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
    //                     11            24
    source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
    split(source);

    source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());
    split(source);
}

private static void split(ByteBuffer source) {
    // 切换为读模式
    source.flip();

    // 遍历当前的 bytebuffer，找到 \n
    for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
        if (source.get(i) == (byte) '\n') {
            // 获取到字符串长度
            int l = i - source.position() + 1;
            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(l);
            for (int j = 0; j < l; j++) {
                // 无参的 get 会移动 position
                target.put(source.get());
            }

            target.flip();
            System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(target).toString());
        }
    }

    // 把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式
    source.compact();
}

三、文件编程

3.1 FileChannel

⚠️ FileChannel 工作模式

FileChannel 只能工作在阻塞模式下

只有 Socket 系列的 Channel 才可以用 Selector

获取

不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法

• 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
• 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
• 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定

读取

会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾

int readBytes = channel.read(buffer);

写入

写入的正确姿势如下， SocketChannel

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式

while(buffer.hasRemaining()) {
    channel.write(buffer);
}

在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel。

关闭

channel 必须关闭，不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close 方法会间接地调用 channel 的 close 方法。

位置

获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

long newPos = ...;
channel.position(newPos);

设置当前位置时，如果设置为文件的末尾

• 这时读取会返回 -1
• 这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）

大小

使用 size 方法获取文件的大小

强制写入

操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘

3.2 两个 Channel 传输数据

String FROM = "helloword/data.txt";
String TO = "helloword/to.txt";
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
     FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
    ) {
      // 操作的时候会使用操作系统的 0 拷贝进行优化，传输上限为 2G
    from.transferTo(0, from.size(), to);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("transferTo 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);

输出

transferTo 用时：8.2011

超过 2g 大小的文件传输

public class TestFileChannelTransferTo {
    public static void main(String[] args) {
        try (
                FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
                FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
        ) {
            // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化
            long size = from.size();
            // left 变量代表还剩余多少字节
            for (long left = size; left > 0; ) {
                System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

实际传输一个超大文件

position:0 left:7769948160
position:2147483647 left:5622464513
position:4294967294 left:3474980866
position:6442450941 left:1327497219

3.3 Path

jdk7 引入了 Path 和 Paths 类

• Path 用来表示文件路径
• Paths 是工具类，用来获取 Path 实例

Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt

Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了  d:\1.txt

Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了  d:\1.txt

Path projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了  d:\data\projects

• . 代表了当前路径
• .. 代表了上一级路径

例如目录结构如下

d:
    |- data
        |- projects
            |- a
            |- b

代码

Path path = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
System.out.println(path);
System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径

会输出

d:\data\projects\a\..\b
d:\data\projects\b

3.4 Files

检查文件是否存在

Path path = Paths.get("helloword/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建一级目录

Path path = Paths.get("helloword/d1");
Files.createDirectory(path);

• 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException
• 不能一次创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException

创建多级目录用

Path path = Paths.get("helloword/d1/d2");
Files.createDirectories(path);

拷贝文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/target.txt");

Files.copy(source, target);

• 如果文件已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException

如果希望用 source 覆盖掉 target，需要用 StandardCopyOption 来控制

Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

移动文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/data.txt");

Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

• StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性

删除文件

Path target = Paths.get("helloword/target.txt");

Files.delete(target);

• 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException

删除目录

Path target = Paths.get("helloword/d1");

Files.delete(target);

• 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历文件夹

遍历目录文件（访问者模式）

public static void main(String[] args) throws IOException {
    Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
    AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
    AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
    Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
        @Override
        public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) 
            throws IOException {
            System.out.println(dir);
            dirCount.incrementAndGet();
            return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
        }

        @Override
        public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) 
            throws IOException {
            System.out.println(file);
            fileCount.incrementAndGet();
            return super.visitFile(file, attrs);
        }
    });
    System.out.println(dirCount); // 133
    System.out.println(fileCount); // 1479
}

删除多级目录

Path path = Paths.get("d:\\a");
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
    @Override
    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) 
        throws IOException {
        Files.delete(file);
        return super.visitFile(file, attrs);
    }

    @Override
    public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) 
        throws IOException {
        Files.delete(dir);
        return super.postVisitDirectory(dir, exc);
    }
});

⚠️ 删除很危险

删除是危险操作，确保要递归删除的文件夹没有重要内容

拷贝多级目录

long start = System.currentTimeMillis();
String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64";
String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa";

Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
    try {
        String targetName = path.toString().replace(source, target);
        // 是目录
        if (Files.isDirectory(path)) {
            Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
        }
        // 是普通文件
        else if (Files.isRegularFile(path)) {
            Files.copy(path, Paths.get(targetName));
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
});
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end - start);

四、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（最大的弊端，与单线程结合的不好）
  • 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。

服务端

// 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程
// 0. ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 1. 创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

// 2. 绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

// 3. 连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
    // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
    log.debug("connecting...");
    SocketChannel sc = ssc.accept(); // 阻塞方法，线程停止运行
    log.debug("connected... {}", sc);
    channels.add(sc);
    for (SocketChannel channel : channels) {
        // 5. 接收客户端发送的数据
        log.debug("before read... {}", channel);
        channel.read(buffer); // 阻塞方法，线程停止运行
        buffer.flip();
        debugRead(buffer);
        buffer.clear();
        log.debug("after read...{}", channel);
    }
}

客户端

SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
System.out.println("waiting...");

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）==>看下面的 IO 模型讲解

服务器端，客户端代码不变

// 使用 nio 来理解非阻塞模式, 单线程
// 0. ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 1. 创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式，影响的是 accept 方法
// 2. 绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 3. 连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {
    // 4. 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); // 非阻塞模式，影响的是 read 方法
        channels.add(sc);
    }
    for (SocketChannel channel : channels) {
        // 5. 接收客户端发送的数据
        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);
        }
    }
}

多路复用

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 没法利用多路复用
• 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

4.2 Selector

graph TD
subgraph selector 版
thread --> selector
selector --> c1(channel)
selector --> c2(channel)
selector --> c3(channel)
end

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

Selector selector = Selector.open();

绑定 Channel 事件

也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心

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 Selector 实现服务端

// 服务器端
public static void main(String[] args) {
    try (ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
         Selector selector = Selector.open()) {

        // 监听 8080 端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        log.info("服务器 channel：{}", ssc);

        // 设置服务器 channel 为非阻塞
        ssc.configureBlocking(false);

        // 将服务器 channel 注册到 selector 中，交给 selector 监听 accept 事件
        SelectionKey ssk = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.info("服务器的 SelectionKey：{}", ssk);

        while (true) {
            // 阻塞方法，只有有事件的时候才会返回
            int count = selector.select();

            Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();

                // 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理的时候还会拿到这个 SelectionKey
                iterator.remove();

                // 如果是『接受连接』事件
                if (key.isAcceptable()) {
                    log.info("这个地方的 selectKey 和上面的服务器的 SelectionKey 一毛一样：{}", key);
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

                    log.info("如果这个地方不对事件进行处理（即把下面代码注释掉），下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发。");

                    // 与客户端建立连接，返回客户端的 channel
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.info("客户端 Channel：{}", sc);

                    // 订阅客户端 channel 上的 read 事件
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    log.info("客户端的 SelectionKey：{}", scKey);
                } else if (key.isReadable()) {  // 如果是『读』事件，那么肯定是客户端 channel 触发的，所以可以把它强转成 SocketChannel
                    log.info("这个地方的 selectKey 和上面建立连接时获取到的客户端 SelectionKey 一毛一样：{}", key);
                    try {
                        // 拿到触发事件的channel
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        // 如果客户端发来的消息超过 4 个字节，则会触发多次 read 事件，因为 nio 底层使用的是水平触发。
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
                        // 读取 channel 中的字节到 buffer 中
                        int read = channel.read(buffer);
                        // 如果是正常断开，也会触发一次 read 事件，此时 read 的方法的返回值是 -1
                        if (read == -1) {
                            log.info("客户端「{}」关闭了", channel);
                            // 必须对这个键进行处理，否则会一直触发
                            key.cancel();
                        } else {
                            /*
                            +--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
                            position: [4], limit: [4]
                                     +-------------------------------------------------+
                                     |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
                            +--------+-------------------------------------------------+----------------+
                            |00000000| 61 62 63 64                                     |abcd            |
                            +--------+-------------------------------------------------+----------------+
                            10:14:04.838 [main] INFO cn.x5456.nio.study.sk.SelectorServer - 这个地方的 selectKey 和上面建立连接时获取到的客户端 SelectionKey 一毛一样：sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@ba8a1dc
                            +--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
                            position: [2], limit: [4]
                                     +-------------------------------------------------+
                                     |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
                            +--------+-------------------------------------------------+----------------+
                            |00000000| 65 66 00 00                                     |ef..            |
                            +--------+-------------------------------------------------+----------------+
                             */
                            // 打印读取到的内容
                            debugAll(buffer);
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        // 当客户端异常断开会抛出异常，我们需要取消对这个 key 的监听
                        e.printStackTrace();
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

// 客户端
public static void main(String[] args) throws IOException {
    SocketChannel sc = SocketChannel.open();
    sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    sc.write(ByteBuffer.wrap("abcdef".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
}

💡 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。

根本原因：server没有读取socketChannel中的数据

水平触发(level-triggered，也被称为条件触发)LT: 只要满足条件，就触发一个事件(只要有数据没有被获取，内核就不断通知你)

边缘触发(edge-triggered)ET: 每当状态变化时，触发一个事件。

💡 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[图片上传失败...(image-a43c9b-1617350937261)]

💡 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。

💡如何处理消息的边界

image

1. 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（因为有些消息小于这个固定长度）

2. 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低（因为需要一个一个字节对比；上面的练习）

3. 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（Netty 使用这种方式）

   1. Http 1.1 是 TLV 格式（Content-Type、Content-Length、Body）
   2. Http 2.0 是 LTV 格式

本示例采用第二种方式进行解决：

sequenceDiagram 
participant c1 as 客户端1
participant s as 服务器
participant b1 as ByteBuffer1
participant b2 as ByteBuffer2
c1 ->> s: 发送 01234567890abcdef3333\r
s ->> b1: 第一次 read 存入 01234567890abcdef
s ->> b2: 扩容
b1 ->> b2: 拷贝 01234567890abcdef
s ->> b2: 第二次 read 存入 3333\r
b2 ->> b2: 01234567890abcdef3333\r

// 服务器端
@Slf4j
public class SelectorServer {

    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
             Selector selector = Selector.open()) {

            // 监听 8080 端口
            ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
            log.info("服务器 channel：{}", ssc);

            // 设置服务器 channel 为非阻塞
            ssc.configureBlocking(false);

            // 将服务器 channel 注册到 selector 中，交给 selector 监听 accept 事件
            SelectionKey ssk = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            log.info("服务器的 SelectionKey：{}", ssk);

            while (true) {
                // 阻塞方法，只有有事件的时候才会返回
                int count = selector.select();

                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();

                    // 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理的时候还会拿到这个 SelectionKey
                    iterator.remove();

                    // 如果是『接受连接』事件
                    if (key.isAcceptable()) {
                        log.info("这个地方的 selectKey 和上面的服务器的 SelectionKey 一毛一样：{}", key);
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

                        log.info("如果这个地方不对事件进行处理（即把下面代码注释掉），下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发。");

                        // 与客户端建立连接，返回客户端的 channel
                        SocketChannel sc = channel.accept();
                        sc.configureBlocking(false);
                        log.info("客户端 Channel：{}", sc);

                        // 订阅客户端 channel 上的 read 事件
                        // 【解决黏包问题，步骤 0】，添加附件
                        SelectionKey scKey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(4));
                        log.info("客户端的 SelectionKey：{}", scKey);
                    } else if (key.isReadable()) {  // 如果是『读』事件，那么肯定是客户端 channel 触发的，所以可以把它强转成 SocketChannel
                        log.info("这个地方的 selectKey 和上面建立连接时获取到的客户端 SelectionKey 一毛一样：{}", key);
                        try {
                            // 拿到触发事件的channel
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            // 【解决黏包问题，步骤 1】，从附件中获取 channel 对应的 buffer（不能用全局的，因为多个客户端的数据会混合）
                            ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                            // 读取 channel 中的字节到 buffer 中
                            int read = channel.read(buffer);
                            // 如果是正常断开，也会触发一次 read 事件，此时 read 的方法的返回值是 -1
                            if (read == -1) {
                                log.info("客户端「{}」关闭了", channel);
                                // 必须对这个键进行处理，否则会一直触发
                                key.cancel();
                            } else {
                                // 【解决黏包问题，步骤 2】
                                split(buffer);
                                // 『解决半包问题』，扩容；如果不扩容会陷入死循环，因为 channel 中的数据一直没有读完
                                if (buffer.limit() == buffer.position()) {
                                    ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                                    // 将 src buffer 切换为读模式，因为 split(buffer) 给他切换成了写模式
                                    buffer.flip();
                                    newBuffer.put(buffer);
                                    key.attach(newBuffer);
                                }
                            }
                        } catch (IOException e) {
                            // 当客户端异常断开会抛出异常，我们需要取消对这个 key 的监听
                            e.printStackTrace();
                            key.cancel();
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
        // 切换为读模式
        source.flip();

        // 遍历当前的 bytebuffer，找到 \n
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            if (source.get(i) == (byte) '\n') {
                // 获取到字符串长度
                int l = i - source.position() + 1;
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(l);
                for (int j = 0; j < l; j++) {
                    // 无参的 get 会移动 position
                    target.put(source.get());
                }

                target.flip();
                debugAll(target);
            }
        }

        // 把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式
        source.compact();
    }
}

// 客户端
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        // 解决黏包问题
//        sc.write(ByteBuffer.wrap("ab\ncde\nf\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
        // 解决半包问题
        sc.write(ByteBuffer.wrap("1234567890\n".getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));
    }
}

==附件这个感觉可以学下啊==

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（Netty 使用的这种方式）

4.4 处理 write 事件

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）:

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) {
        int count = selector.select();
        Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            SelectionKey selectionKey = iter.next();
            iter.remove();

            if (selectionKey.isAcceptable()) {
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);

                // 向客户端发送大量数据
                StringBuilder sb = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
                    sb.append("a");
                }

                ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(sb.toString());
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    int write = sc.write(buffer);
                    log.info("写入的字节数：{}", write);
                }
            }
        }
    }
}

// 客户端
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();
    }
}

image

所以我们应该改为使用 selector 来监听可写事件，但是用 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，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

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) {
        int count = selector.select();
        Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
        while (iter.hasNext()) {
            SelectionKey selectionKey = iter.next();
            iter.remove();

            if (selectionKey.isAcceptable()) {
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                sc.configureBlocking(false);
                SelectionKey sk = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                // 1. 向客户端发送大量数据
                StringBuilder sb = new StringBuilder();
                for (int i = 0; i < 5000000; i++) {
                    sb.append("a");
                }

                ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(sb.toString());
                int write = sc.write(buffer);
                log.info("写入的字节数：{}", write);

                // 2. 如果还有剩余的内容，则关注可写事件
                if (buffer.hasRemaining()) {
                    // 使用 | 运算符也行
                    sk.interestOps(sk.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                    // 把未写完的 buffer 绑定到 sk 上
                    sk.attach(buffer);
                }
            } else if (selectionKey.isWritable()) {
                ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) selectionKey.attachment();
                SocketChannel sc = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                int write = sc.write(buffer);
                log.info("写入的字节数：{}", write);
                // 3. 如果写完了，则进行清理操作
                if (!buffer.hasRemaining()) {
                    selectionKey.attach(null);
                    selectionKey.interestOps(selectionKey.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
                }
            }
        }
    }
}

💡 write 为何要取消

只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注

4.5 使用多线程优化

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

@Slf4j
public class MultiThreadServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread.currentThread().setName("boss");

        Selector boss = Selector.open();

        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ssc.configureBlocking(false);
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        // 这个可以建立多个 worker
        Worker worker = new Worker("worker");

        while (true) {
            int count = boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iterator = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();

                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);

                    // 关联到 work 的 selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
                    worker.register(sc);
                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }


    static class Worker implements Runnable {
        private String name;
        private Selector selector;
        private Thread thread;

        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> tasks = new ConcurrentLinkedQueue<>();

        public Worker(String name) throws IOException {
            this.name = name;
            this.selector = Selector.open();
            this.thread = new Thread(this, name);
            this.thread.start();
        }

        // 这个方法的操作是在 boss 线程中的
        public void register(SocketChannel sc) throws ClosedChannelException {
            tasks.add(() -> {
                try {
                    sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } catch (ClosedChannelException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });

            // 由于该 selector 已经在 worker 线程中被阻塞了，所以只有唤醒它才能进行注册的操作
            selector.wakeup();
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    int count = selector.select();
                    Runnable task = tasks.poll();
                    if (task != null) {
                        task.run();
                    }

                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        if (key.isReadable()) {
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

}

5. NIO vs BIO

5.1 stream vs channel

• stream 不会自动缓冲数据（byte[]不属于系统层面），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（可以对一个文件一边读一边写）

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：

1. 等待数据阶段
2. 复制数据阶段

• 阻塞 IO（同步阻塞，阻塞指的是用户线程被阻塞，对应我们上面的阻塞例子）

  image

• 非阻塞 IO（同步非阻塞，对应我们上面的非阻塞例子）

  image

• 多路复用（同步非阻塞，对应我们上面 selector 的例子）

  image

• 信号驱动

• 异步 IO

  image

• 阻塞 IO vs 多路复用

  阻塞 IO 多路复用

🔖 参考

UNIX 网络编程 - 卷 I

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：

image

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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
  • 切换到内核态，将数据从磁盘 copy 到内核缓冲区
  • 切换到用户态，将数据从用户缓冲区 copy 到 socket 缓冲区
  • 切换到内核态，将数据从 socket 缓冲区发送到网卡。
• 数据拷贝了共 4 次

NIO 优化

1）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

image-20210402151147334

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（还是三次）

2）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（比上面的方式减少了2次 java 代码（用户态）到操作系统（内核态）的切换，连 ByteBuffer 对象都不创建了）

image

1. 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
2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
3. 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
  • 切换到内核态，从磁盘将数据 copy 到内核缓冲区，将内核缓冲区数据 copy 到 socket 缓冲区，最后发送到网卡。
• 数据拷贝了 3 次

3）进一步优化（linux 2.4）

image

1. 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
2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
3. 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，而是在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（因为零拷贝会使用 DMA 进行数据的 copy，根本没有放入内存，所以 cpu 无法参与计算）
• 零拷贝适合小文件传输（文件较大会把内核缓冲区占满，https://www.cnblogs.com/-wenli/p/13380616.html）

5.3 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

异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持

• Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO
• Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势

文件 AIO

先来看看 AsynchronousFileChannel

@Slf4j
public class AioDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try{
            AsynchronousFileChannel s = 
                AsynchronousFileChannel.open(
                    Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
            log.debug("begin...");
            s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read completed...{}", result);
                    buffer.flip();
                    debug(buffer);
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read failed...");
                }
            });

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("do other things...");
        System.in.read();
    }
}

输出

13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin...
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things...
13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed...2
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 0d                                           |a.              |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

可以看到

• 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5
• 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

网络 AIO

public class AioServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
        System.in.read();
    }

    private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
        try {
            System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            sc.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            try {
                if (result == -1) {
                    closeChannel(sc);
                    return;
                }
                System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
                attachment.flip();
                System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
                attachment.clear();
                // 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件
                sc.read(attachment, attachment, this);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            closeChannel(sc);
            exc.printStackTrace();
        }
    }

    private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
        private final AsynchronousSocketChannel sc;

        private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
            this.sc = sc;
        }

        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
            // 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容
            if (attachment.hasRemaining()) {
                sc.write(attachment);
            }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
            exc.printStackTrace();
            closeChannel(sc);
        }
    }

    private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
        private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;

        public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
            this.ssc = ssc;
        }

        @Override
        public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
            try {
                System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
            // 读事件由 ReadHandler 处理
            sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
            // 写事件由 WriteHandler 处理
            sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
            // 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件
            ssc.accept(null, this);
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
            exc.printStackTrace();
        }
    }
}