在学习Netty之前先要学习一下NIO相关的知识,因为Netty是基于NIO搭建的一套网络编程框架。
一. NIO 基础
non-blocking io 非阻塞 IO
1. 三大组件
1.1 Channel & Buffer
channel 有一点类似于 stream,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
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
⚠️ 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
⚠️ 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)
调用 selector 的 select() 会阻塞当前线程直到 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
2. 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
@Slf4j
public class ChannelDemo1 {
public static void main(String[] args) {
try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {
FileChannel channel = file.getChannel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
do {
// 向 buffer 写入
int len = channel.read(buffer);
log.debug("读到字节数:{}", len);
if (len == -1) {
break;
}
// 切换 buffer 读模式
buffer.flip();
while(buffer.hasRemaining()) {
log.debug("{}", (char)buffer.get());
}
// 切换 buffer 写模式
buffer.clear();
} while (true);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数:10 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数:4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数:-1
2.1 ByteBuffer 正确使用姿势
-
向 buffer 写入数据,例如调用 channel.read(buffer)
-
调用 flip() 切换至读模式
-
从 buffer 读取数据,例如调用 buffer.get()
-
调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
-
重复 1~4 步骤
2.2 ByteBuffer 结构
ByteBuffer 有以下重要属性
-
capacity
-
position(读写指针)
-
limit
一开始
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
flip 动作发生后,position 切换为读取位置,limit 切换为读取限制
读取 4 个字节后,状态
clear 动作发生后,状态
compact 方法,是把未读完的部分向前压缩,然后切换至写模式
💡 调试工具类
public class ByteBufferUtil {
private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];
static {
final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
for (int i = 0; i < 256; i++) {
HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
}
int i;
// Generate the lookup table for hex dump paddings
for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
int padding = HEXPADDING.length - i;
StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
for (int j = 0; j < padding; j++) {
buf.append(" ");
}
HEXPADDING[i] = buf.toString();
}
// Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
buf.append(NEWLINE);
buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
buf.append('|');
HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
}
// Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
}
// Generate the lookup table for byte dump paddings
for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
int padding = BYTEPADDING.length - i;
StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
for (int j = 0; j < padding; j++) {
buf.append(' ');
}
BYTEPADDING[i] = buf.toString();
}
// Generate the lookup table for byte-to-char conversion
for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
BYTE2CHAR[i] = '.';
} else {
BYTE2CHAR[i] = (char) i;
}
}
}
/**
* 打印所有内容
* @param buffer
*/
public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
int oldlimit = buffer.limit();
buffer.limit(buffer.capacity());
StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
System.out.println(origin);
buffer.limit(oldlimit);
}
/**
* 打印可读取内容
* @param buffer
*/
public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
System.out.println(builder);
}
private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
throw new IndexOutOfBoundsException(
"expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
+ ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
}
if (length == 0) {
return;
}
dump.append(
" +-------------------------------------------------+" +
NEWLINE + " | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |" +
NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
final int startIndex = offset;
final int fullRows = length >>> 4;
final int remainder = length & 0xF;
// Dump the rows which have 16 bytes.
for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;
// Per-row prefix.
appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);
// Hex dump
int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append(" |");
// ASCII dump
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append('|');
}
// Dump the last row which has less than 16 bytes.
if (remainder != 0) {
int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);
// Hex dump
int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append(HEXPADDING[remainder]);
dump.append(" |");
// Ascii dump
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
dump.append('|');
}
dump.append(NEWLINE +
"+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
}
private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
} else {
dump.append(NEWLINE);
dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
dump.append('|');
}
}
public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
}
}
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);
class java.nio.HeapByteBuffer - java 堆内存,读写效率较低,受到 GC 的影响
class java.nio.DirectByteBuffer - 直接内存,读写效率高(少一次拷贝),不会受 GC 影响,分配的效率低
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 是在读取时,做一个标记,即使 position 改变,只要调用 reset 就能回到 mark 的位置
注意
rewind 和 flip 都会清除 mark 位置
字符串与 ByteBuffer 互转
public class TestByteBufferString {
public static void main(String[] args) {
// 1. 字符串转为 ByteBuffer
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
buffer1.put("hello".getBytes());
debugAll(buffer1);
// 2. Charset
ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
debugAll(buffer2);
// 3. wrap
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
debugAll(buffer3);
// 4. 转为字符串
String str1 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
System.out.println(str1);
buffer1.flip();
String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
System.out.println(str2);
}
}
输出
⚠️ Buffer 的线程安全
Buffer 是非线程安全的
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
public class TestScatteringReads {
public static void main(String[] args) {
try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words.txt", "r").getChannel()) {
ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);
channel.read(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
b1.flip();
b2.flip();
b3.flip();
debugAll(b1);
debugAll(b2);
debugAll(b3);
} catch (IOException e) {
}
}
}
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
public class TestGatheringWrites {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");
ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");
try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {
channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
} catch (IOException e) {
}
}
}
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
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) {
source.flip();
int oldLimit = source.limit();
for (int i = 0; i < oldLimit; i++) {
if (source.get(i) == '\n') {
System.out.println(i);
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());
// 0 ~ limit
source.limit(i + 1);
target.put(source); // 从source 读,向 target 写
debugAll(target);
source.limit(oldLimit);
}
}
source.compact();
}
3. 文件编程
3.1 FileChannel
⚠️ FileChannel 工作模式
FileChannel 只能工作在阻塞模式下
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();
) {
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(注意channel一次性最大的数据传输量为channel)
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
遍历目录文件
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
}
统计 jar 的数目
Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
@Override
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)
throws IOException {
if (file.toFile().getName().endsWith(".jar")) {
fileCount.incrementAndGet();
}
return super.visitFile(file, attrs);
}
});
System.out.println(fileCount); // 724
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);
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
-
服务器端
// 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)
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
// 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
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
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);//设置为非阻塞模式
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
客户端代码为
public class Client {
public static void main(String[] args) {
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {
System.out.println(socket);
socket.getOutputStream().write("world".getBytes());
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
服务器端代码为
@Slf4j
public class ChannelDemo6 {
public static void main(String[] args) {
try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
System.out.println(channel);
Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
int count = selector.select();
// int count = selector.selectNow();
log.debug("select count: {}", count);
// if(count <= 0) {
// continue;
// }
// 获取所有事件
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
// 遍历所有事件,逐一处理
Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 判断事件类型
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 必须处理
SocketChannel sc = c.accept();
log.debug("{}", sc);
}
// 处理完毕,必须将事件移除
iter.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
💡 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
4.4 处理 read 事件
@Slf4j
public class ChannelDemo6 {
public static void main(String[] args) {
try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
System.out.println(channel);
Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
int count = selector.select();
// int count = selector.selectNow();
log.debug("select count: {}", count);
// if(count <= 0) {
// continue;
// }
// 获取所有事件
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
// 遍历所有事件,逐一处理
Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 判断事件类型
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
// 必须处理
SocketChannel sc = c.accept();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
log.debug("连接已建立: {}", sc);
} else if (key.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
int read = sc.read(buffer);
if(read == -1) {
key.cancel();
sc.close();
} else {
buffer.flip();
debug(buffer);
}
}
// 处理完毕,必须将事件移除
iter.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
开启两个客户端,修改一下发送文字,输出
sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378] 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 77 6f 72 6c 64 |world | +--------+-------------------------------------------------+----------------+
💡 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
💡 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
⚠️ 不处理边界的问题
以前有同学写过这样的代码,思考注释中两个问题,以 bio 为例,其实 nio 道理是一样的
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);
while (true) {
Socket s = ss.accept();
InputStream in = s.getInputStream();
// 这里这么写,有没有问题
byte[] arr = new byte[4];
while(true) {
int read = in.read(arr);
// 这里这么写,有没有问题
if(read == -1) {
break;
}
System.out.println(new String(arr, 0, read));
}
}
}
}
客户端
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Socket max = new Socket("localhost", 9000);
OutputStream out = max.getOutputStream();
out.write("hello".getBytes());
out.write("world".getBytes());
out.write("你好".getBytes());
max.close();
}
}
输出
hell owor ld� �好
为什么?
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
-
服务器端
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 {
// 1. 创建 selector, 管理多个 channel
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
// 2. 建立 selector 和 channel 的联系(注册)
// SelectionKey 就是将来事件发生后,通过它可以知道事件和哪个channel的事件
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
// key 只关注 accept 事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
log.debug("sscKey:{}", sscKey);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
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
// select 在事件未处理时,它不会阻塞, 事件发生后要么处理,要么取消,不能置之不理
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(); // accept, read
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.debug("key: {}", key);
// 5. 区分事件类型
if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();
sc.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment
// 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
log.debug("{}", sc);
log.debug("scKey:{}", scKey);
} else if (key.isReadable()) { // 如果是 read
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
// 获取 selectionKey 上关联的附件
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
int read = channel.read(buffer); // 如果是正常断开,read 的方法的返回值是 -1
if(read == -1) {
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); // 0123456789abcdef3333\n
key.attach(newBuffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
key.cancel(); // 因为客户端断开了,因此需要将 key 取消(从 selector 的 keys 集合中真正删除 key)
}
}
}
}
}
客户端
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
// sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef"));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
System.in.read();
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 Java Resizable Array
-
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,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 class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
Selector selector = Selector.open();
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()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey sckey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
// 1. 向客户端发送内容
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 3000000; i++) {
sb.append("a");
}
ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
int write = sc.write(buffer);
// 3. write 表示实际写了多少字节
System.out.println("实际写入字节:" + write);
// 4. 如果有剩余未读字节,才需要关注写事件
if (buffer.hasRemaining()) {
// read 1 write 4
// 在原有关注事件的基础上,多关注 写事件
sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
// 把 buffer 作为附件加入 sckey
sckey.attach(buffer);
}
} else if (key.isWritable()) {
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
int write = sc.write(buffer);
System.out.println("实际写入字节:" + write);
if (!buffer.hasRemaining()) { // 写完了
key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
key.attach(null);
}
}
}
}
}
}
客户端
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
int count = 0;
while (true) {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isConnectable()) {
System.out.println(sc.finishConnect());
} else if (key.isReadable()) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
count += sc.read(buffer);
buffer.clear();
System.out.println(count);
}
}
}
}
}
💡 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
4.6 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,只关注连接事件
-
创建 cpu 核心数的线程,每个线程配一个选择器,轮流处理 read 事件和write事件
服务器端代码:
package com.kjz.nio.c4;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import static com.kjz.nio.c2.ByteBufferUtil.debugAll;
@Slf4j
public class MultiThreadServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread.currentThread().setName("boss");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
Selector boss = Selector.open();
SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 1. 创建固定数量的 worker 并初始化
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.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
// 2. 关联 selector
log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
// round robin 轮询
workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); // boss 调用 初始化 selector , 启动 worker-0
log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
}
}
}
}
//使用另外一个线程创建专门监听读写事件的Selector
static class Worker implements Runnable{
private Thread thread;
private Selector selector;
private String name;
private volatile boolean start = false; // 还未初始化
//队列用于在线程之间传递数据
private 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 {
if(!start) {
selector = Selector.open();
thread = new Thread(this, name);
thread.start();
start = true;
}
//向队列添加了任务,但是任务中的代码并没有立即执行,要保证任务中的代码在同一线程下先执行
//selector.select()再执行 sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null)
//以此来保证selector.select()和 sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null)不会相互阻塞
// queue.add(()->{
// try {
// sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null);
// } catch (ClosedChannelException e) {
// e.printStackTrace();
// }
// });
// 唤醒 select 方法 ,防止下面的run方法中 selector.select()在初始化注册读事件时阻塞
// selector.wakeup();
// sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); // boss
selector.wakeup();
sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null);
}
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
//监听事件
selector.select(); // worker-0 阻塞,此时register方法就不能执行了
// Runnable task = queue.poll();
// if (task != null) {
// //执行任务队列中的方法
// 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.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
channel.read(buffer);
buffer.flip();
debugAll(buffer);
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
💡 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
4.7 UDP
-
UDP 是无连接的,client 发送数据不会管 server 是否开启
-
server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer,但如果数据报文超过 buffer 大小,多出来的数据会被默默抛弃
首先启动服务器端
public class UdpServer {
public static void main(String[] args) {
try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
System.out.println("waiting...");
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
channel.receive(buffer);
buffer.flip();
debug(buffer);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出
waiting...
运行客户端
public class UdpClient {
public static void main(String[] args) {
try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
channel.send(buffer, address);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
接下来服务器端输出
+-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +--------+-------------------------------------------------+----------------+
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
用户线程在读取数据时被阻塞,在阻塞过程中,用户线程无法干其他的事
-
非阻塞 IO
向内核空间读取数据时如果没有数据就会立即返回,用户线程中的读方法被while(true)包裹,用户线程会不断向内核空间读取,一旦有数据就会进入到复制数据,在等待数据的过程中是非阻塞的,但是复制数据的过程是非阻塞的。
-
多路复用
-
信号驱动
-
异步 IO
同步:线程自己去获取结果(一个线程亲力亲为)
异步:线程自己不去获取结果,而是由其他线程送结果(至少两个线程)
异步情况下线程一定是非阻塞
-
阻塞 IO vs 多路复用
在阻塞IO下如果read阻塞在channel1的读取数据中,那么此时另外一个channel2如果过来要建立连接accept,那么这个accept方法就要阻塞到read方法执行完毕才能执行。也就是说阻塞IO在同一时间只能处理一个channel的事件。
在多路复用的情况下,则是select方法是阻塞的,它会返回多个channel的事件,在SelectionKey的集合中处理多个channel事件,可以同时应对多个channel事件
🔖 参考
UNIX 网络编程 - 卷 I
5.3 零拷贝(从文件传输的角度来看)
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
-
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(偏移量) 和 length(长度) 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
-
零拷贝适合小文件传输
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();
}
}
}
学习完NIO的基础知识,接下来正式进入Netty的学习,请看这篇博客:Netty入门-CSDN博客