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NIO基础-Selector，Nio概念
文章目录
4. 网络编程
4.1 非阻塞 vs 阻塞
阻塞
- 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
- ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
- SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
- 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
- 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
- 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
- 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
- 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接
测试阻塞模式
服务端代码
@Slf4j public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); //创建服务器 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); //绑定监听端口 ssc.bind(new InetSocketAddress(8088)); List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>(); while (true) { log.debug("connecting..."); //accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信 SocketChannel sc = ssc.accept();//阻塞 log.debug("connected... {}", sc); channels.add(sc); for (SocketChannel channel : channels) { //接收客户端数据 log.debug("before read... {}", channel); channel.read(buffer);//阻塞 buffer.flip(); debugRead(buffer); buffer.clear(); log.debug("after read...{}", channel); } } } }- 1
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客户端代码
public class Client { public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8088)); System.out.println("123"); } }- 1
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测试流程：启动服务端，给客户端打上断点，然后控制台发送消息，可以看到此时服务端已经打印出消息了，再次发送消息，服务端没反应，原因是ssc.accept()是阻塞的，再开启一个客户端，可以看到服务端打印了第二次发的消息
非阻塞
- 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
- 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
- SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
- 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
- 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu
- 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）
服务器端代码，客户端代码不变
@Slf4j public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); //创建服务器 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false);//配置accept非阻塞 //绑定监听端口 ssc.bind(new InetSocketAddress(8088)); List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>(); while (true) { //accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信 SocketChannel sc = ssc.accept();//非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null if (sc != null) { log.debug("connected... {}", sc); sc.configureBlocking(false);//配置read非阻塞 channels.add(sc); } for (SocketChannel channel : channels) { //接收客户端数据 int read = channel.read(buffer);//非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0 if (read > 0) { buffer.flip(); debugRead(buffer); buffer.clear(); log.debug("after read...{}", channel); } } } } }- 1
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测试流程：启动服务端，给客户端打上断点，连续启动两个客户端，发现服务端控制台都打印了连接信息，可证明ssc.accept()是非阻塞的了，再用任意一个客户端控制台发消息，发两次，可以看到服务端控制台打印了消息，可证明channel.read也是非阻塞的了
4.2 Selector
好处
- 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
- 让这个线程能够被充分利用
- 节约了线程的数量
- 减少了线程上下文切换
创建
通过调用Selector.open()方法创建一个Selector
Selector selector = Selector.open();
向Selector注册通道
为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，
channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);- 1
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- 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();- 1
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);- 1
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();- 1
💡 select 何时不阻塞
- 事件发生时
- 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
- 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件
- channel 可写，会触发 write 事件
- 在 linux 下 nio bug 发生时
- 调用 selector.wakeup()
- 调用 selector.close()
- selector 所在线程 interrupt
4.3 处理 accept 事件
客户端代码不变，服务端代码如下
@Slf4j public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { //创建selector Selector selector = Selector.open(); //创建服务端，并设置非阻塞 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); //建立selector和channel的联系（channel注册到selector上） SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null); //只关注accept类型的事件 sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); log.info("sscKey:{}", sscKey); while (true) { //没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行 //有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞 selector.select(); //处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件 Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); log.info("key:{}", key); ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = channel.accept(); log.info("sc:{}", sc); //key.cancel(); } } } }- 1
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💡 事件发生后能否不处理
事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发
💡 cancel 的作用
cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件
4.3 处理 read 事件
@Slf4j public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { //创建selector Selector selector = Selector.open(); //创建服务端，并设置非阻塞 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); //建立selector和channel的联系（channel注册到selector上） SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null); //只关注accept类型的事件 sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); log.info("sscKey:{}", sscKey); while (true) { //没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行 //有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞 selector.select(); //处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件 Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); // 处理key 时，要从 selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题 iter.remove(); log.info("key:{}", key); if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel(); //建立连接并设置非阻塞 SocketChannel sc = channel.accept(); sc.configureBlocking(false); //注册到selector上，只关注read事件 SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null); scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); log.info("sc:{}", sc); } else if (key.isReadable()) { try { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); int read = channel.read(buffer);//客户端正常断开，read方法返回值-1 if (read == -1) { log.info("客户端断开连接"); key.cancel(); } else { buffer.flip(); debugRead(buffer); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); //因为客户端异常断开了，因此需要将key 取消，从 selector 的 keys 合中真正删除 key key.cancel(); } } } } } }- 1
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💡 为何要 iter.remove()
因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如
- 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
- 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常
💡 什么时候要 cancel
客户端断开时会产生一个读事件，如果不处理，就会一直执行，所以需要cancel取消这个key
- 正常断开：通过read方法检测客户端正常断开，取消key
- 异常断开：try-catch捕获异常，防止客户端异常断开造成服务端挂掉
处理消息的边界
- 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
- 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
- TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
- Http 1.1 是 TLV 格式
- Http 2.0 是 LTV 格式
服务端代码@Slf4j public class Server { private static void split(ByteBuffer source) { source.flip(); for (int i = 0; i < source.limit(); i++) { // 找到一条完整消息 if (source.get(i) == '\n') { int length = i + 1 - source.position(); // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length); // 从 source 读，向 target 写 for (int j = 0; j < length; j++) { target.put(source.get()); } debugAll(target); } } source.compact(); // 0123456789abcdef position 16 limit 16 } public static void main(String[] args) throws IOException { //创建selector Selector selector = Selector.open(); //创建服务端，并设置非阻塞 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); //建立selector和channel的联系（channel注册到selector上） SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null); //只关注accept类型的事件 sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); log.info("sscKey:{}", sscKey); while (true) { //没有事件就阻塞，有事件就继续向下运行 //有事件未处理时，不会阻塞，所有要么处理，要么阻塞 selector.select(); //处理时间，selectedKeys包含了所有发生的事件 Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); // 处理key 时，要从 selectedKeys集合中删除，否则下次处理就会有问题 iter.remove(); log.info("key:{}", key); if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel(); //建立连接并设置非阻塞 SocketChannel sc = channel.accept(); sc.configureBlocking(false); // 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer); scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); log.info("sc:{}", sc); } else if (key.isReadable()) { try { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 获取 selectionKey 上关联的附件 ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); int read = channel.read(buffer);//客户端正常断开，read方法返回值-1 if (read == -1) { log.info("客户端断开连接"); key.cancel(); } else { split(buffer); // 需要扩容 if (buffer.position()==buffer.limit()){ ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2); buffer.flip(); newBuffer.put(buffer); key.attach(newBuffer); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); //因为客户端异常断开了，因此需要将key 取消，从 selector 的 keys 合中真正删除 key key.cancel(); } } } } } }- 1
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客户端代码
public class Client { public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080)); sc.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("0123456789abcdef3333\n")); System.out.println("123"); } }- 1
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ByteBuffer 大小分配
- 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
- ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
- 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
- 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗
4.5 处理 write 事件
一次无法写完例子
- 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）
- 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
- 当消息处理器第一次写入消息时，未写完才将 channel 注册到 selector 上
- selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册
- 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件
💡 write 为何要取消
在I/O多路复用中，写事件（Write Event）的生成通常与操作系统的套接字缓冲区状态有关。如果缓冲区有足够的空间，就会生成写事件。应用程序需要监测这些写事件，并在有数据可写入时将数据写入套接字，然后取消写事件以避免无限触发。这是一种有效的机制，确保数据写入不会阻塞，同时避免不必要的CPU负载。
服务端代码
public class WriteServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); Selector selector = Selector.open(); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); while (true) { selector.select(); Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, null); sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); // 1. 向客户端发送大量数据 StringBuilder sb = new StringBuilder(); for (int i = 0; i < 8000000; i++) { sb.append("a"); } ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString()); // 2. 返回值代表实际写入的字节数 int write = sc.write(buffer); System.out.println(write); // 3. 判断是否有剩余内容 if (buffer.hasRemaining()) { // 4. 关注可写事件 1 4 sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE); // sckey.interestOps(sckey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE); // 5. 把未写完的数据挂到 sckey 上 sckey.attach(buffer); } } else if (key.isWritable()) { ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); //当调用sc.write(buffer)时，写入的数据会从ByteBuffer中清除 int write = sc.write(buffer); System.out.println(write); //debugAll(buffer); // 6. 清理操作 if (!buffer.hasRemaining()) { key.attach(null); // 需要清除buffer key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);//不需关注可写事件 } } } } } }- 1
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客户端代码
public class WriteClient { public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)); // 3. 接收数据 int count = 0; while (true) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024); count += sc.read(buffer); System.out.println(count); buffer.clear(); } } }- 1
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4.6 更进一步
💡 利用多线程优化
现在都是多核 cpu，设计时要充分考虑别让 cpu 的力量被白白浪费
前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核 cpu，如何改进呢？
分两组选择器
- 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件
- 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件
boss只处理连接，worker只处理读写，而且是多个worker同时工作服务端代码
@Slf4j public class MultiServer { public static void main(String[] args) throws IOException { Thread.currentThread().setName("boss"); ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.configureBlocking(false); Selector boss = Selector.open(); ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null); Worker worker = new Worker("worker-0"); worker.register(); while (true) { boss.select(); Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress()); //关联自定义selector log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress()); sc.register(worker.selector, SelectionKey.OP_READ, null); log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress()); } } } } static class Worker implements Runnable { private Thread thread; private Selector selector; private String name; private volatile boolean start = false; public Worker(String name) { this.name = name; } //初始化线程和selector public void register() throws IOException { //保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行 if (!start) { //selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针 selector = Selector.open(); thread = new Thread(this, name); thread.start(); start = true; } } @Override public void run() { while (true) { try { selector.select(); Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isReadable()) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); log.info("read...,{}", channel.getRemoteAddress()); channel.read(buffer); buffer.flip(); debugAll(buffer); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } }- 1
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客户端代码
public class MultiClient { public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080)); sc.write(StandardCharsets.UTF_8.encode("123456789")); System.out.println("123"); } }- 1
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先启动服务端，再启动客户端，可以看到结果有问题
优化服务端代码：
@Slf4j public class MultiServer { public static void main(String[] args) throws IOException { Thread.currentThread().setName("boss"); ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.configureBlocking(false); Selector boss = Selector.open(); ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null); Worker worker = new Worker("worker-0"); while (true) { boss.select(); Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress()); //关联自定义selector log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress()); worker.register(sc); log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress()); } } } } static class Worker implements Runnable { private Thread thread; private Selector selector; private String name; private volatile boolean start = false; private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>(); public Worker(String name) { this.name = name; } //初始化线程和selector public void register(SocketChannel sc) throws IOException { //保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行 if (!start) { //selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针 selector = Selector.open(); thread = new Thread(this, name); thread.start(); start = true; } //将任务放入队列中，在另一个线程中指定位置取出执行 queue.add(() -> { try { sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); } catch (ClosedChannelException e) { e.printStackTrace(); } }); //selector.wakeup() 的作用是在调用它后，立即将阻塞在 select() 上的线程唤醒， // 即使没有事件发生。这可以用来中断 select() 方法的阻塞， // 以便在需要的时候立即重新注册或取消注册事件，而不必等待 select() 方法的自然返回。 selector.wakeup(); } @Override public void run() { while (true) { try { selector.select(); Runnable task = queue.poll(); if (Objects.nonNull(task)) { task.run(); } Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isReadable()) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); log.info("read...,{}", channel.getRemoteAddress()); channel.read(buffer); buffer.flip(); debugAll(buffer); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } }- 1
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另一种实现，只需在register方法中执行selector.wakeup();即可
public void register(SocketChannel sc) throws IOException { //保证只执行一次，下一个客户端连接的时候再调用时，不会执行 if (!start) { //selector初始化要放在线程初始化前，否则空指针 selector = Selector.open(); thread = new Thread(this, name); thread.start(); start = true; } //selector.wakeup() 的作用是在调用它后，立即将阻塞在 select() 上的线程唤醒， // 即使没有事件发生。这可以用来中断 select() 方法的阻塞， // 以便在需要的时候立即重新注册或取消注册事件，而不必等待 select() 方法的自然返回。 selector.wakeup(); sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); }- 1
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多线程的一种使用，让一段代码在另一个线程指定位置执行
private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>(); //放入队列中，等待执行 queue.add(() -> { try { sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); } catch (ClosedChannelException e) { e.printStackTrace(); } }); //指定位置取出执行 Runnable task = queue.poll(); if (Objects.nonNull(task)) { task.run(); }- 1
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增加多个worker处理事件
public static void main(String[] args) throws IOException { Thread.currentThread().setName("boss"); ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.configureBlocking(false); Selector boss = Selector.open(); ssc.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT, null); Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()]; for (int i = 0; i < workers.length; i++) { workers[i] = new Worker("worker-" + i); } AtomicInteger index = new AtomicInteger(); while (true) { boss.select(); Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); log.info("connected...,{}", sc.getRemoteAddress()); //关联自定义selector log.info("before register...,{}", sc.getRemoteAddress()); workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); log.info("after register...,{}", sc.getRemoteAddress()); } } } }- 1
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💡 如何拿到 cpu 个数
- Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数
- 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启
5. NIO vs BIO
5.1 stream vs channel
- stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）
- stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用
- 二者均为全双工，即读写可以同时进行
5.2 IO 模型
同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞
- 同步：线程自己去获取结果（一个线程）
- 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）
当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：
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等待数据阶段
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复制数据阶段
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阻塞 IO
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非阻塞 IO
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多路复用
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信号驱动
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异步 IO
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阻塞 IO vs 多路复用
5.3 零拷贝
传统 IO 问题
传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出
File f = new File("helloword/data.txt"); RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r"); byte[] buf = new byte[(int)f.length()]; file.read(buf); Socket socket = ...; socket.getOutputStream().write(buf);- 1
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内部工作流程是这样的：
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java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入内核缓冲区。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu
DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO
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从内核态切换回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA
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调用 write 方法，这时将数据从用户缓冲区（byte[] buf）写入 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
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接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的
- 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级
- 数据拷贝了共 4 次
NIO 优化
通过 DirectByteBuf
- ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
- ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用
- 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写
- java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
- DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
- 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
- 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少
进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据
- java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
- 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
- 最后使用 DMA 将 socket 缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
可以看到
- 只发生了一次用户态与内核态的切换
- 数据拷贝了 3 次
进一步优化（linux 2.4）
- java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的用户态切换至内核态，使用 DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用 cpu
- 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
- 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用 cpu
整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。
所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是再不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有- 更少的用户态与内核态的切换
- 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享
- 零拷贝适合小文件传输
文件 AIO
先来看看 AsynchronousFileChannel
@Slf4j public class AioFileChannel { public static void main(String[] args) throws IOException { try (AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("data.txt"), StandardOpenOption.READ)) { // 参数1 ByteBuffer // 参数2 读取的起始位置 // 参数3 附件 // 参数4 回调对象 CompletionHandler ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); log.debug("read begin..."); channel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { @Override // read 成功 public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { log.debug("read completed...{}", result); attachment.flip(); debugAll(attachment); } @Override // read 失败 public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { exc.printStackTrace(); } }); log.debug("read end..."); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } System.in.read(); } }- 1
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结果
10:27:31 [DEBUG] [main] c.i.n.a.AioFileChannel - read begin... 10:27:31 [DEBUG] [main] c.i.n.a.AioFileChannel - read end... 10:27:31 [DEBUG] [Thread-3] c.i.n.a.AioFileChannel - read completed...14 +--------+-------------------- all ------------------------+----------------+ position: [0], limit: [14] +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 31 32 33 34 35 36 37 38 39 30 61 62 63 64 00 00 |1234567890abcd..| +--------+-------------------------------------------------+----------------+- 1
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可以看到
- 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-3
- 主线程并没有 IO 操作阻塞
💡 守护线程
默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行
System.in.read()以避免守护线程意外结束 - 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/qq_42665745/article/details/133791107
