• NIO基础知识


    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

    1. @Slf4j
    2. public class ChannelDemo1 {
    3.    public static void main(String[] args) {
    4.        try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {
    5.            FileChannel channel = file.getChannel();
    6.            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
    7.            do {
    8.                // 向 buffer 写入
    9.                int len = channel.read(buffer);
    10.                log.debug("读到字节数:{}", len);
    11.                if (len == -1) {
    12.                    break;
    13.               }
    14.                // 切换 buffer 读模式
    15.                buffer.flip();
    16.                while(buffer.hasRemaining()) {
    17.                    log.debug("{}", (char)buffer.get());
    18.               }
    19.                // 切换 buffer 写模式
    20.                buffer.clear();
    21.           } while (true);
    22.       } catch (IOException e) {
    23.            e.printStackTrace();
    24.       }
    25.   }
    26. }

    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

    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(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

    1. public class ByteBufferUtil {
    2.    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    3.    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    4.    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    5.    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    6.    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    7.    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];
    8.    static {
    9.        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
    10.        for (int i = 0; i < 256; i++) {
    11.            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
    12.            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
    13.       }
    14.        int i;
    15.        // Generate the lookup table for hex dump paddings
    16.        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
    17.            int padding = HEXPADDING.length - i;
    18.            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
    19.            for (int j = 0; j < padding; j++) {
    20.                buf.append("   ");
    21.           }
    22.            HEXPADDING[i] = buf.toString();
    23.       }
    24.        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
    25.        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
    26.            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
    27.            buf.append(NEWLINE);
    28.            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
    29.            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
    30.            buf.append('|');
    31.            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
    32.       }
    33.        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
    34.        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
    35.            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
    36.       }
    37.        // Generate the lookup table for byte dump paddings
    38.        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
    39.            int padding = BYTEPADDING.length - i;
    40.            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
    41.            for (int j = 0; j < padding; j++) {
    42.                buf.append(' ');
    43.           }
    44.            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
    45.       }
    46.        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
    47.        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
    48.            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
    49.                BYTE2CHAR[i] = '.';
    50.           } else {
    51.                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
    52.           }
    53.       }
    54.   }
    55.    /**
    56.     * 打印所有内容
    57.     * @param buffer
    58.     */
    59.    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
    60.        int oldlimit = buffer.limit();
    61.        buffer.limit(buffer.capacity());
    62.        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
    63.        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
    64.        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
    65.        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
    66.        System.out.println(origin);
    67.        buffer.limit(oldlimit);
    68.   }
    69.    /**
    70.     * 打印可读取内容
    71.     * @param buffer
    72.     */
    73.    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
    74.        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
    75.        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
    76.        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
    77.        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
    78.        System.out.println(builder);
    79.   }
    80.    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
    81.        if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
    82.            throw new IndexOutOfBoundsException(
    83.                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
    84.                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
    85.       }
    86.        if (length == 0) {
    87.            return;
    88.       }
    89.        dump.append(
    90.                "         +-------------------------------------------------+" +
    91.                        NEWLINE + "         | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |" +
    92.                        NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    93.        final int startIndex = offset;
    94.        final int fullRows = length >>> 4;
    95.        final int remainder = length & 0xF;
    96.        // Dump the rows which have 16 bytes.
    97.        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
    98.            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;
    99.            // Per-row prefix.
    100.            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);
    101.            // Hex dump
    102.            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
    103.            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
    104.                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
    105.           }
    106.            dump.append(" |");
    107.            // ASCII dump
    108.            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
    109.                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
    110.           }
    111.            dump.append('|');
    112.       }
    113.        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
    114.        if (remainder != 0) {
    115.            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
    116.            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);
    117.            // Hex dump
    118.            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
    119.            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
    120.                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
    121.           }
    122.            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
    123.            dump.append(" |");
    124.            // Ascii dump
    125.            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
    126.                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
    127.           }
    128.            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
    129.            dump.append('|');
    130.       }
    131.        dump.append(NEWLINE +
    132.                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    133.   }
    134.    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
    135.        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
    136.            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
    137.       } else {
    138.            dump.append(NEWLINE);
    139.            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
    140.            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
    141.            dump.append('|');
    142.       }
    143.   }
    144.    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
    145.        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    146.   }
    147. }

    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);

    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);

    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
    1. public class TestByteBufferString {
    2. public static void main(String[] args) {
    3. // 1. 字符串转为 ByteBuffer
    4. ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(16);
    5. buffer1.put("hello".getBytes());
    6. debugAll(buffer1);
    7. // 2. Charset
    8. ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
    9. debugAll(buffer2);
    10. // 3. wrap
    11. ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
    12. debugAll(buffer3);
    13. // 4. 转为字符串
    14. String str1 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
    15. System.out.println(str1);
    16. buffer1.flip();
    17. String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1).toString();
    18. System.out.println(str2);
    19. }
    20. }

    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

    1. public class TestScatteringReads {
    2. public static void main(String[] args) {
    3. try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words.txt", "r").getChannel()) {
    4. ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(3);
    5. ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(3);
    6. ByteBuffer b3 = ByteBuffer.allocate(5);
    7. channel.read(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
    8. b1.flip();
    9. b2.flip();
    10. b3.flip();
    11. debugAll(b1);
    12. debugAll(b2);
    13. debugAll(b3);
    14. } catch (IOException e) {
    15. }
    16. }
    17. }

    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

    1. public class TestGatheringWrites {
    2. public static void main(String[] args) {
    3. ByteBuffer b1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
    4. ByteBuffer b2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world");
    5. ByteBuffer b3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");
    6. try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("words2.txt", "rw").getChannel()) {
    7. channel.write(new ByteBuffer[]{b1, b2, b3});
    8. } catch (IOException e) {
    9. }
    10. }
    11. }

    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

    1. public static void main(String[] args) {
    2.    ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
    3.    //                     11           24
    4.    source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
    5.    split(source);
    6.    source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());
    7.    split(source);
    8. }
    9. private static void split(ByteBuffer source) {
    10.    source.flip();
    11.    int oldLimit = source.limit();
    12.    for (int i = 0; i < oldLimit; i++) {
    13.        if (source.get(i) == '\n') {
    14.            System.out.println(i);
    15.            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());
    16.            // 0 ~ limit
    17.            source.limit(i + 1);
    18.            target.put(source); // 从source 读,向 target 写
    19.            debugAll(target);
    20.            source.limit(oldLimit);
    21.       }
    22.   }
    23.    source.compact();
    24. }

    3. 文件编程

    3.1 FileChannel

    ⚠️ FileChannel 工作模式

    FileChannel 只能工作在阻塞模式

    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

    1. ByteBuffer buffer = ...;
    2. buffer.put(...); // 存入数据
    3. buffer.flip();   // 切换读模式
    4. while(buffer.hasRemaining()) {
    5.    channel.write(buffer);
    6. }

    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

    1. long newPos = ...;
    2. 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

    1. String FROM = "helloword/data.txt";
    2. String TO = "helloword/to.txt";
    3. long start = System.nanoTime();
    4. try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
    5.     FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
    6.   ) {
    7.    from.transferTo(0, from.size(), to);
    8. } catch (IOException e) {
    9.    e.printStackTrace();
    10. }
    11. long end = System.nanoTime();
    12. 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)

    1. public class TestFileChannelTransferTo {
    2.    public static void main(String[] args) {
    3.        try (
    4.                FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
    5.                FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
    6.       ) {
    7.            // 效率高,底层会利用操作系统的零拷贝进行优化
    8.            long size = from.size();
    9.            // left 变量代表还剩余多少字节
    10.            for (long left = size; left > 0; ) {
    11.                System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
    12.                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
    13.           }
    14.       } catch (IOException e) {
    15.            e.printStackTrace();
    16.       }
    17.   }
    18. }

    实际传输一个超大文件

    1. position:0 left:7769948160
    2. position:2147483647 left:5622464513
    3. position:4294967294 left:3474980866
    4. 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

    1. Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt
    2. Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了 d:\1.txt
    3. Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了 d:\1.txt
    4. 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

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

    会输出

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

    3.4 Files

    检查文件是否存在

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

    创建一级目录

    1. Path path = Paths.get("helloword/d1");
    2. 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

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

    拷贝文件

    1. Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
    2. Path target = Paths.get("helloword/target.txt");
    3. 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

    1. Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
    2. Path target = Paths.get("helloword/data.txt");
    3. Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
    • StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性

    删除文件

    1. Path target = Paths.get("helloword/target.txt");
    2. Files.delete(target);
    • 如果文件不存在,会抛异常 NoSuchFileException

    删除目录

    1. Path target = Paths.get("helloword/d1");
    2. Files.delete(target);
    • 如果目录还有内容,会抛异常 DirectoryNotEmptyException

    遍历目录文件

    1. public static void main(String[] args) throws IOException {
    2.    Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
    3.    AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
    4.    AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
    5.    Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor(){
    6.        @Override
    7.        public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs)
    8.            throws IOException {
    9.            System.out.println(dir);
    10.            dirCount.incrementAndGet();
    11.            return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
    12.       }
    13.        @Override
    14.        public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)
    15.            throws IOException {
    16.            System.out.println(file);
    17.            fileCount.incrementAndGet();
    18.            return super.visitFile(file, attrs);
    19.       }
    20.   });
    21.    System.out.println(dirCount); // 133
    22.    System.out.println(fileCount); // 1479
    23. }

    统计 jar 的数目

    1. Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
    2. AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
    3. Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor(){
    4.    @Override
    5.    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)
    6.        throws IOException {
    7.        if (file.toFile().getName().endsWith(".jar")) {
    8.            fileCount.incrementAndGet();
    9.       }
    10.        return super.visitFile(file, attrs);
    11.   }
    12. });
    13. System.out.println(fileCount); // 724

    删除多级目录

    1. Path path = Paths.get("d:\\a");
    2. Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor(){
    3.    @Override
    4.    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)
    5.        throws IOException {
    6.        Files.delete(file);
    7.        return super.visitFile(file, attrs);
    8.   }
    9.    @Override
    10.    public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc)
    11.        throws IOException {
    12.        Files.delete(dir);
    13.        return super.postVisitDirectory(dir, exc);
    14.   }
    15. });

    ⚠️ 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

    1. long start = System.currentTimeMillis();
    2. String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64";
    3. String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa";
    4. Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
    5.    try {
    6.        String targetName = path.toString().replace(source, target);
    7.        // 是目录
    8.        if (Files.isDirectory(path)) {
    9.            Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
    10.       }
    11.        // 是普通文件
    12.        else if (Files.isRegularFile(path)) {
    13.            Files.copy(path, Paths.get(targetName));
    14.       }
    15.   } catch (IOException e) {
    16.        e.printStackTrace();
    17.   }
    18. });
    19. long end = System.currentTimeMillis();
    20. 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

    1. // 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程
    2. // 0. ByteBuffer
    3. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    4. // 1. 创建了服务器
    5. ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    6. // 2. 绑定监听端口
    7. ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    8. // 3. 连接集合
    9. List channels = new ArrayList<>();
    10. while (true) {
    11.    // 4. accept 建立与客户端连接, SocketChannel 用来与客户端之间通信
    12.    log.debug("connecting...");
    13.    SocketChannel sc = ssc.accept(); // 阻塞方法,线程停止运行
    14.    log.debug("connected... {}", sc);
    15.    channels.add(sc);
    16.    for (SocketChannel channel : channels) {
    17.        // 5. 接收客户端发送的数据
    18.        log.debug("before read... {}", channel);
    19.        channel.read(buffer); // 阻塞方法,线程停止运行
    20.        buffer.flip();
    21.        debugRead(buffer);
    22.        buffer.clear();
    23.        log.debug("after read...{}", channel);
    24.   }
    25. }

    客户端

    1. SocketChannel sc = SocketChannel.open();
    2. sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    3. 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

    1. // 使用 nio 来理解非阻塞模式, 单线程
    2. // 0. ByteBuffer
    3. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    4. // 1. 创建了服务器
    5. ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    6. ssc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
    7. // 2. 绑定监听端口
    8. ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    9. // 3. 连接集合
    10. List channels = new ArrayList<>();
    11. while (true) {
    12.    // 4. accept 建立与客户端连接, SocketChannel 用来与客户端之间通信
    13.    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
    14.    if (sc != null) {
    15.        log.debug("connected... {}", sc);
    16.        sc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
    17.        channels.add(sc);
    18.   }
    19.    for (SocketChannel channel : channels) {
    20.        // 5. 接收客户端发送的数据
    21.        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
    22.        if (read > 0) {
    23.            buffer.flip();
    24.            debugRead(buffer);
    25.            buffer.clear();
    26.            log.debug("after read...{}", channel);
    27.       }
    28.   }
    29. }

    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

    1. channel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞模式
    2. 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

    1. public class Client {
    2.    public static void main(String[] args) {
    3.        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {
    4.            System.out.println(socket);
    5.            socket.getOutputStream().write("world".getBytes());
    6.            System.in.read();
    7.       } catch (IOException e) {
    8.            e.printStackTrace();
    9.       }
    10.   }
    11. }

    服务器端代码为

    1. @Slf4j
    2. public class ChannelDemo6 {
    3.    public static void main(String[] args) {
    4.        try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
    5.            channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    6.            System.out.println(channel);
    7.            Selector selector = Selector.open();
    8.            channel.configureBlocking(false);
    9.            channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    10.            while (true) {
    11.                int count = selector.select();
    12. //               int count = selector.selectNow();
    13.                log.debug("select count: {}", count);
    14. //               if(count <= 0) {
    15. //                   continue;
    16. //               }
    17.                // 获取所有事件
    18.                Set keys = selector.selectedKeys();
    19.                // 遍历所有事件,逐一处理
    20.                Iterator iter = keys.iterator();
    21.                while (iter.hasNext()) {
    22.                    SelectionKey key = iter.next();
    23.                    // 判断事件类型
    24.                    if (key.isAcceptable()) {
    25.                        ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
    26.                        // 必须处理
    27.                        SocketChannel sc = c.accept();
    28.                        log.debug("{}", sc);
    29.                   }
    30.                    // 处理完毕,必须将事件移除
    31.                    iter.remove();
    32.               }
    33.           }
    34.       } catch (IOException e) {
    35.            e.printStackTrace();
    36.       }
    37.   }
    38. }

    💡 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

    1. @Slf4j
    2. public class ChannelDemo6 {
    3.    public static void main(String[] args) {
    4.        try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
    5.            channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
    6.            System.out.println(channel);
    7.            Selector selector = Selector.open();
    8.            channel.configureBlocking(false);
    9.            channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    10.            while (true) {
    11.                int count = selector.select();
    12. //               int count = selector.selectNow();
    13.                log.debug("select count: {}", count);
    14. //               if(count <= 0) {
    15. //                   continue;
    16. //               }
    17.                // 获取所有事件
    18.                Set keys = selector.selectedKeys();
    19.                // 遍历所有事件,逐一处理
    20.                Iterator iter = keys.iterator();
    21.                while (iter.hasNext()) {
    22.                    SelectionKey key = iter.next();
    23.                    // 判断事件类型
    24.                    if (key.isAcceptable()) {
    25.                        ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
    26.                        // 必须处理
    27.                        SocketChannel sc = c.accept();
    28.                        sc.configureBlocking(false);
    29.                        sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    30.                        log.debug("连接已建立: {}", sc);
    31.                   } else if (key.isReadable()) {
    32.                        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    33.                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
    34.                        int read = sc.read(buffer);
    35.                        if(read == -1) {
    36.                            key.cancel();
    37.                            sc.close();
    38.                       } else {
    39.                            buffer.flip();
    40.                            debug(buffer);
    41.                       }
    42.                   }
    43.                    // 处理完毕,必须将事件移除
    44.                    iter.remove();
    45.               }
    46.           }
    47.       } catch (IOException e) {
    48.            e.printStackTrace();
    49.       }
    50.   }
    51. }

    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

    1. public class Server {
    2.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    3.        ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);
    4.        while (true) {
    5.            Socket s = ss.accept();
    6.            InputStream in = s.getInputStream();
    7.            // 这里这么写,有没有问题
    8.            byte[] arr = new byte[4];
    9.            while(true) {
    10.                int read = in.read(arr);
    11.                // 这里这么写,有没有问题
    12.                if(read == -1) {
    13.                    break;
    14.               }
    15.                System.out.println(new String(arr, 0, read));
    16.           }
    17.       }
    18.   }
    19. }

    客户端

    1. public class Client {
    2.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    3.        Socket max = new Socket("localhost", 9000);
    4.        OutputStream out = max.getOutputStream();
    5.        out.write("hello".getBytes());
    6.        out.write("world".getBytes());
    7.        out.write("你好".getBytes());
    8.        max.close();
    9.   }
    10. }

    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

    1. private static void split(ByteBuffer source) {
    2.    source.flip();
    3.    for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
    4.        // 找到一条完整消息
    5.        if (source.get(i) == '\n') {
    6.            int length = i + 1 - source.position();
    7.            // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer
    8.            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
    9.            // 从 source 读,向 target 写
    10.            for (int j = 0; j < length; j++) {
    11.                target.put(source.get());
    12.           }
    13.            debugAll(target);
    14.       }
    15.   }
    16.    source.compact(); // 0123456789abcdef position 16 limit 16
    17. }
    18. public static void main(String[] args) throws IOException {
    19.    // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
    20.    Selector selector = Selector.open();
    21.    ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    22.    ssc.configureBlocking(false);
    23.    // 2. 建立 selector 和 channel 的联系(注册)
    24.    // 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
    25.    SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
    26.    // key 只关注 accept 事件
    27.    sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
    28.    log.debug("sscKey:{}", sscKey);
    29.    ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    30.    while (true) {
    31.        // 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
    32.        // 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
    33.        selector.select();
    34.        // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
    35.        Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator(); // accept, read
    36.        while (iter.hasNext()) {
    37.            SelectionKey key = iter.next();
    38.            // 处理key 时,要从 selectedKeys 集合中删除,否则下次处理就会有问题
    39.            iter.remove();
    40.            log.debug("key: {}", key);
    41.            // 5. 区分事件类型
    42.            if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept
    43.                ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
    44.                SocketChannel sc = channel.accept();
    45.                sc.configureBlocking(false);
    46.                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment
    47.                // 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上
    48.                SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
    49.                scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    50.                log.debug("{}", sc);
    51.                log.debug("scKey:{}", scKey);
    52.           } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read
    53.                try {
    54.                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
    55.                    // 获取 selectionKey 上关联的附件
    56.                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
    57.                    int read = channel.read(buffer); // 如果是正常断开,read 的方法的返回值是 -1
    58.                    if(read == -1) {
    59.                        key.cancel();
    60.                   } else {
    61.                        split(buffer);
    62.                        // 需要扩容
    63.                        if (buffer.position() == buffer.limit()) {
    64.                            ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
    65.                            buffer.flip();
    66.                            newBuffer.put(buffer); // 0123456789abcdef3333\n
    67.                            key.attach(newBuffer);
    68.                       }
    69.                   }
    70.               } catch (IOException e) {
    71.                    e.printStackTrace();
    72.                    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)
    73.               }
    74.           }
    75.       }
    76.   }
    77. }

    客户端

    1. SocketChannel sc = SocketChannel.open();
    2. sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    3. SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
    4. // sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
    5. sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef"));
    6. sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
    7. 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

    1. public class WriteServer {
    2.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    3.        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    4.        ssc.configureBlocking(false);
    5.        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    6.        Selector selector = Selector.open();
    7.        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    8.        while(true) {
    9.            selector.select();
    10.            Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
    11.            while (iter.hasNext()) {
    12.                SelectionKey key = iter.next();
    13.                iter.remove();
    14.                if (key.isAcceptable()) {
    15.                    SocketChannel sc = ssc.accept();
    16.                    sc.configureBlocking(false);
    17.                    SelectionKey sckey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
    18.                    // 1. 向客户端发送内容
    19.                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    20.                    for (int i = 0; i < 3000000; i++) {
    21.                        sb.append("a");
    22.                   }
    23.                    ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());
    24.                    int write = sc.write(buffer);
    25.                    // 3. write 表示实际写了多少字节
    26.                    System.out.println("实际写入字节:" + write);
    27.                    // 4. 如果有剩余未读字节,才需要关注写事件
    28.                    if (buffer.hasRemaining()) {
    29.                        // read 1 write 4
    30.                        // 在原有关注事件的基础上,多关注 写事件
    31.                        sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
    32.                        // 把 buffer 作为附件加入 sckey
    33.                        sckey.attach(buffer);
    34.                   }
    35.               } else if (key.isWritable()) {
    36.                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
    37.                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    38.                    int write = sc.write(buffer);
    39.                    System.out.println("实际写入字节:" + write);
    40.                    if (!buffer.hasRemaining()) { // 写完了
    41.                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
    42.                        key.attach(null);
    43.                   }
    44.               }
    45.           }
    46.       }
    47.   }
    48. }

    客户端

    1. public class WriteClient {
    2.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    3.        Selector selector = Selector.open();
    4.        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
    5.        sc.configureBlocking(false);
    6.        sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
    7.        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
    8.        int count = 0;
    9.        while (true) {
    10.            selector.select();
    11.            Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
    12.            while (iter.hasNext()) {
    13.                SelectionKey key = iter.next();
    14.                iter.remove();
    15.                if (key.isConnectable()) {
    16.                    System.out.println(sc.finishConnect());
    17.               } else if (key.isReadable()) {
    18.                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
    19.                    count += sc.read(buffer);
    20.                    buffer.clear();
    21.                    System.out.println(count);
    22.               }
    23.           }
    24.       }
    25.   }
    26. }

    💡 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:

    1. package com.kjz.nio.c4;
    2. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    3. import java.io.IOException;
    4. import java.net.InetSocketAddress;
    5. import java.nio.ByteBuffer;
    6. import java.nio.channels.*;
    7. import java.util.Iterator;
    8. import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
    9. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    10. import static com.kjz.nio.c2.ByteBufferUtil.debugAll;
    11. @Slf4j
    12. public class MultiThreadServer {
    13. public static void main(String[] args) throws IOException {
    14. Thread.currentThread().setName("boss");
    15. ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
    16. ssc.configureBlocking(false);
    17. Selector boss = Selector.open();
    18. SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
    19. bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
    20. ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    21. // 1. 创建固定数量的 worker 并初始化
    22. Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
    23. for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
    24. workers[i] = new Worker("worker-" + i);
    25. }
    26. AtomicInteger index = new AtomicInteger();
    27. while(true) {
    28. boss.select();
    29. Iterator iter = boss.selectedKeys().iterator();
    30. while (iter.hasNext()) {
    31. SelectionKey key = iter.next();
    32. iter.remove();
    33. if (key.isAcceptable()) {
    34. SocketChannel sc = ssc.accept();
    35. sc.configureBlocking(false);
    36. log.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
    37. // 2. 关联 selector
    38. log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
    39. // round robin 轮询
    40. workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); // boss 调用 初始化 selector , 启动 worker-0
    41. log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
    42. }
    43. }
    44. }
    45. }
    46. //使用另外一个线程创建专门监听读写事件的Selector
    47. static class Worker implements Runnable{
    48. private Thread thread;
    49. private Selector selector;
    50. private String name;
    51. private volatile boolean start = false; // 还未初始化
    52. //队列用于在线程之间传递数据
    53. private ConcurrentLinkedQueue queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    54. public Worker(String name) {
    55. this.name = name;
    56. }
    57. // 初始化线程和selector
    58. public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
    59. if(!start) {
    60. selector = Selector.open();
    61. thread = new Thread(this, name);
    62. thread.start();
    63. start = true;
    64. }
    65. //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
    66. //selector.select()再执行 sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null)
    67. //以此来保证selector.select()和 sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null)不会相互阻塞
    68. // queue.add(()->{
    69. // try {
    70. // sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null);
    71. // } catch (ClosedChannelException e) {
    72. // e.printStackTrace();
    73. // }
    74. // });
    75. // 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
    76. // selector.wakeup();
    77. // sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); // boss
    78. selector.wakeup();
    79. sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ,null);
    80. }
    81. @Override
    82. public void run() {
    83. while(true) {
    84. try {
    85. //监听事件
    86. selector.select(); // worker-0 阻塞,此时register方法就不能执行了
    87. // Runnable task = queue.poll();
    88. // if (task != null) {
    89. // //执行任务队列中的方法
    90. // task.run();
    91. // }
    92. Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();
    93. while (iter.hasNext()) {
    94. SelectionKey key = iter.next();
    95. iter.remove();
    96. if (key.isReadable()) {
    97. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    98. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    99. log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
    100. channel.read(buffer);
    101. buffer.flip();
    102. debugAll(buffer);
    103. }
    104. }
    105. } catch (IOException e) {
    106. e.printStackTrace();
    107. }
    108. }
    109. }
    110. }
    111. }
    💡 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

    1. public class UdpServer {
    2.    public static void main(String[] args) {
    3.        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
    4.            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
    5.            System.out.println("waiting...");
    6.            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
    7.            channel.receive(buffer);
    8.            buffer.flip();
    9.            debug(buffer);
    10.       } catch (IOException e) {
    11.            e.printStackTrace();
    12.       }
    13.   }
    14. }

    输出

    waiting...

    运行客户端

    1. public class UdpClient {
    2.    public static void main(String[] args) {
    3.        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
    4.            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
    5.            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
    6.            channel.send(buffer, address);
    7.       } catch (Exception e) {
    8.            e.printStackTrace();
    9.       }
    10.   }
    11. }

    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

    8a2089a9d694487694fbd86e83a8573e.png

    • 阻塞 IO

    8c3242cb357c424481cb0b373966d1e8.png

    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

    458f1211876f4d318eccef0104c7197d.png

    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

    400bb7923eda4b8ca6c6c6ee3932bd2d.png

    • 信号驱动

    • 异步 IO

    43720b4f57f045c29efdd9dd8ac7c4aa.png

    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

    e4fe955b96014b9a8af6c121030317dc.png

    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。

    09973d3312c34de48242a7ca8835c6ed.png

    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

    1. File f = new File("helloword/data.txt");
    2. RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");
    3. byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
    4. file.read(buf);
    5. Socket socket = ...;
    6. socket.getOutputStream().write(buf);

    内部工作流程是这样的:

    e23789830fc84ad3aa45c321c1b07f73.png

    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. 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

    • 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

    58d3756eaff3492fa4f607d9e162e193.png

    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

    2ad9f2e8d9fa437489bb99b83d52658e.png

    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

    • 数据拷贝了 3 次

    进一步优化(linux 2.4)

    1183d91b62584bcd99fb0e157e39ad23.png

    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(偏移量) 和 length(长度) 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

    • 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

    1. @Slf4j
    2. public class AioDemo1 {
    3.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    4.        try{
    5.            AsynchronousFileChannel s =
    6.                AsynchronousFileChannel.open(
    7.               Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ);
    8.            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
    9.            log.debug("begin...");
    10.            s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler() {
    11.                @Override
    12.                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
    13.                    log.debug("read completed...{}", result);
    14.                    buffer.flip();
    15.                    debug(buffer);
    16.               }
    17.                @Override
    18.                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
    19.                    log.debug("read failed...");
    20.               }
    21.           });
    22.       } catch (IOException e) {
    23.            e.printStackTrace();
    24.       }
    25.        log.debug("do other things...");
    26.        System.in.read();
    27.   }
    28. }

    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

    1. public class AioServer {
    2.    public static void main(String[] args) throws IOException {
    3.        AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
    4.        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
    5.        ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));
    6.        System.in.read();
    7.   }
    8.    private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {
    9.        try {
    10.            System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
    11.            sc.close();
    12.       } catch (IOException e) {
    13.            e.printStackTrace();
    14.       }
    15.   }
    16.    private static class ReadHandler implements CompletionHandler {
    17.        private final AsynchronousSocketChannel sc;
    18.        public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
    19.            this.sc = sc;
    20.       }
    21.        @Override
    22.        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
    23.            try {
    24.                if (result == -1) {
    25.                    closeChannel(sc);
    26.                    return;
    27.               }
    28.                System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
    29.                attachment.flip();
    30.                System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));
    31.                attachment.clear();
    32.                // 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
    33.                sc.read(attachment, attachment, this);
    34.           } catch (IOException e) {
    35.                e.printStackTrace();
    36.           }
    37.       }
    38.        @Override
    39.        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
    40.            closeChannel(sc);
    41.            exc.printStackTrace();
    42.       }
    43.   }
    44.    private static class WriteHandler implements CompletionHandler {
    45.        private final AsynchronousSocketChannel sc;
    46.        private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {
    47.            this.sc = sc;
    48.       }
    49.        @Override
    50.        public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
    51.            // 如果作为附件的 buffer 还有内容,需要再次 write 写出剩余内容
    52.            if (attachment.hasRemaining()) {
    53.                sc.write(attachment);
    54.           }
    55.       }
    56.        @Override
    57.        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
    58.            exc.printStackTrace();
    59.            closeChannel(sc);
    60.       }
    61.   }
    62.    private static class AcceptHandler implements CompletionHandler {
    63.        private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;
    64.        public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {
    65.            this.ssc = ssc;
    66.       }
    67.        @Override
    68.        public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {
    69.            try {
    70.                System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());
    71.           } catch (IOException e) {
    72.                e.printStackTrace();
    73.           }
    74.            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    75.            // 读事件由 ReadHandler 处理
    76.            sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));
    77.            // 写事件由 WriteHandler 处理
    78.            sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));
    79.            // 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
    80.            ssc.accept(null, this);
    81.       }
    82.        @Override
    83.        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
    84.            exc.printStackTrace();
    85.       }
    86.   }
    87. }

    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

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/m0_74229735/article/details/137057835