【死磕NIO】— 探索 SocketChannel 的核心原理

大家好，我是大明哥，一个专注于【死磕 Java】系列创作的程序员。
【死磕 Java 】系列为作者「chenssy」倾情打造的 Java 系列文章，深入分析 Java 相关技术核心原理及源码。
死磕 Java ：https://www.cmsblogs.com/group/1420041599311810560

前两篇文章我们分析了 Channel 及 FileChannel，这篇文章我们探究 SocketChannel的核心原理，毕竟下一个系列就是 【死磕 Netty】了。

聊聊Socket

要想掌握 SocketChannel，我们就必须先了解什么是 Socket。要想解释清楚 Socket，就需要了解下 TCP/IP。

注：本文重点在 SocketChannel，所以对 TCP和 Socket仅仅只做相关介绍，有兴趣的同学，麻烦自查专业资料。

TCP/IP 体系结构

学过计算机网络的小伙伴知道，计算机网络是分层的，每层专注于一类事情。OSI 网路模型分为七层，如下：

OSI 模型是理论中的模型，在实际应用中我们使用的是 TCP/IP 四层模型，它对OSI模型重新进行了划分和规整，如下：

网络层次划分清楚了，那怎么传输数据呢？如下图：

计算机A首先在应用层将要发送的数据准备好，然后给传输层， 传输层的主要作用就是为发送端和接收端提供可靠的连接服务，传输层将数据处理完成后给网络层， 网络层的一个核心功能就是数据传输路径的选择。计算机A到计算机B有很多条路，网络层的作用就是负责管理下一步数据应该到那个路由器，选择好路径后，数据就到了网络接入层，该层主要负责将数据从一个路由器发送到另一个路由器。

上图是一个非常清晰的传输过程。但是我们思考两个个问题：

计算机A是怎么知道计算机B的具体位置的呢？
它又怎么知道将该数据包发送给哪个应用程序呢？

TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题： IP地址+协议+端口。

网络层的“IP地址”唯一标识了网络中的主机：这样就可以找到要将数据发送给哪台主机了。
传输层的“协议 + 端口”唯一标识主机中的应用程序：这样就可以找到要将数据发给那个应该程序了。

利用三元组（IP地址、协议、端口）就可以让计算机A确定将数据包发送给计算机B的应用程序了。

使用TCP/IP 协议的应用程序通常采用编程接口：UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已经被淘汰)，来实现网络进程之间的通信。就目前而言， 几乎所有的应用程序都是采用的 Socket。

Socket

上面提到就目前而言，几乎所有的应用程序都是采用 Socket 来完成网络通信的。那什么是Socket呢？百度百科是这样定义的：

套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

在TCP/IP四层模型中，我们并没有看到 Socket 影子，那它到底在哪里呢？又扮演什么角色呢？

Socket 并不是属于 TCP/IP 模型中的任何一层，它的存在只是为了让应用层能够更加简便地将数据传输给传输层，应用层不需要关注TCP/IP 协议的复杂内容。我们可以将其理解成一个接口，一个把复杂的TCP/IP协议族隐藏起来的接口，对于应用层而言，他们只需要简单地调用 Socket 接口就可以实现复杂的TCP/IP 协议，就像设计模式中的门面模式（ 将复杂的TCP\IP 协议族隐藏起来，对外提供统一的接口，是应用层能够更加容易地使用）。简单地说就是简单来说可以把 Socket理解成是应用层与TCP/IP协议族通信的抽象层、函数库。

下图是 Socket一次完整的通信流程图：

上图设计到的Socket 相关函数：

socket()：返回套接字描述符
connect()：建立连接
bind()：一个本地协议地址赋予一个套接字
linsten()：服务器监听端口连接
accept()：应用程序接受完成3次握手的客户端连接
send()、recv()、write()、read()：服务端与客户端互相发送数据
colse()：关闭连接

探究SocketChannel

SocketChannel 是一个连接 TCP 网络Socket 的 Channel，我们可以认为它是对传统 Java Socket API的改进。它支持了非阻塞的读写。

SocketChannel具有如下特点

对于已经存在的socket不能创建SocketChannel。
SocketChannel中提供的open接口创建的Channel并没有进行网络级联，需要使用connect接口连接到指定地址。
未进行连接的SocketChannle执行I/O操作时，会抛出NotYetConnectedException。
SocketChannel支持两种I/O模式：阻塞式和非阻塞式。
SocketChannel支持异步关闭。如果SocketChannel在一个线程上read阻塞，另一个线程对该SocketChannel调用shutdownInput，则读阻塞的线程将返回-1表示没有读取任何数据；如果SocketChannel在一个线程上write阻塞，另一个线程对该SocketChannel调用shutdownWrite，则写阻塞的线程将抛出AsynchronousCloseException。

SocketChannel 的使用

1. 创建SocketChannel

要想使用 SocketChannel我们首先得创建它。创建SocketChannel的方式有两种：

 // 方式 1
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));
 
// 方式 2
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));

2、连接校验

使用的SocketChannel必须是已连接的，如果使用一个未连接的SocketChannel，则会抛出 NotYetConnectedException。SocketChannel提供了四个方法来校验连接。

 // 测试SocketChannel是否为open状态
socketChannel.isOpen();
// 测试SocketChannel是否已经被连接   
socketChannel.isConnected();
// 测试SocketChannel是否正在进行连接
socketChannel.isConnectionPending();
// 校验正在进行套接字连接的SocketChannel是否已经完成连接
socketChannel.finishConnect();

3、读操作

SocketChannel 提供了 read()方法用于读取数据：

 public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
 
public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;
 
public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException {
  return read(dsts, 0, dsts.length);
}

首先我们需要先分配一个 ByteBuffer，然后调用 read()方法，该方法会将数据从SocketChannel读入到 ByteBuffer中。

 ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);

read()方法会返回一个 int 值，该值表示读取了多少数据到 Buffer 中，如果返回 -1，则表示已经读到了流的末尾。

4、写操作

调用 SocketChannel的write()方法，可以向 SocketChannel 中写数据。

 public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException;
 
public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length) throws IOException;
 
public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException {
    return write(srcs, 0, srcs.length);
}

5、设置 I/O 模式

SocketChannel 支持阻塞和非阻塞两种 I/O 模式，调用 configureBlocking()方法即可：

 socketChannel.configureBlocking(false);

false 表示非阻塞，true 表示阻塞。

6、关闭

当使用完 SocketChannel 后需要将其关闭，SocketChannel 提供了 close()来关闭 SocketChannel 。

 socketChannel.close();

SocketChannel 源码分析

上面简单介绍了 SocketChannel 的使用，下面我们再来详细分析 SocketChannel 的源码。SocketChannel 实现 Channel 接口，它有一个核心子类 SocketChannel，该类实现了 SocketChannel 的大部分功能。如下（图有删减）

创建 SocketChannel

上面提到通过调用 open()方法就可以一个 SocketChannel 实例。

     public static SocketChannel open() throws IOException {
        return SelectorProvider.provider().openSocketChannel();
    }

我们看到它是通过 SelectorProvider 来创建 SocketChannel 的，provider() 方法会创建一个 SelectorProvider 实例，SelectorProvider 是 Selector 和 Channel 实例的提供者，它提供了创建 Selector、SocketChannel、ServerSocketChannel 实例的方法，采用 SPI 的方式实现。 SelectorProvider 我们在讲解 Selector 的时候在阐述。

provider 创建完成后调用 openSocketChannel() 来创建 SocketChannel。

     public SocketChannel openSocketChannel() throws IOException {
        return new SocketChannelImpl(this);
    }

从这了就可以看出 SocketChannelImpl 为 SocketChannel 的实现者。调用 SocketChannelImpl 的构造函数实例化一个 SocketChannel 对象。

     SocketChannelImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
        super(sp);
        // 创建 Socket 并创建一个文件描述符与其关联
        this.fd = Net.socket(true);
        // 在注册 selector 的时候需要获取到文件描述符的值
        this.fdVal = IOUtil.fdVal(fd);
        // 设置状态为未连接
        this.state = ST_UNCONNECTED;
    }

fd：文件夹描述符对象。

fdVal：fd 的 value。

文件描述符简称 fd，它是一个抽象概念，在 C 库编程中可以叫做文件流或文件流指针，在其它语言中也可以叫做文件句柄（handler），而且这些不同名词的隐含意义可能是不完全相同的。不过在系统层，我们统一把它叫做文件描述符。

state：状态，设置为未连接。它有如下 6 个值

 private static final int ST_UNINITIALIZED = -1;
private static final int ST_UNCONNECTED = 0;
private static final int ST_PENDING = 1;
private static final int ST_CONNECTED = 2;
private static final int ST_KILLPENDING = 3;
private static final int ST_KILLED = 4;

连接服务器：connect()

调用 Connect() 方法可以链接远程服务器。

     public boolean connect(SocketAddress sa) throws IOException {
        int localPort = 0;
        
        // 注意这里的加锁
        synchronized (readLock) {
            synchronized (writeLock) {
               // 确保当前 SocketChannel 是打开且未连接的
                ensureOpenAndUnconnected();
                InetSocketAddress isa = Net.checkAddress(sa);
                SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
                if (sm != null)
                    sm.checkConnect(isa.getAddress().getHostAddress(),
                                    isa.getPort());
                // 这里的锁是注册和阻塞配置的锁
                synchronized (blockingLock()) {
                    int n = 0;
                    try {
                        try {
                            // 支持线程中断，通过设置当前线程的Interruptible blocker属性实现
                            begin();
                            // 
                            synchronized (stateLock) {
                               // 默认为 open, 除非调用了 close()
                                if (!isOpen()) {
                                    return false;
                                }
                                // 只有未绑定本地地址也就是说未调用bind方法才执行
                                if (localAddress == null) {
                                    NetHooks.beforeTcpConnect(fd,
                                                           isa.getAddress(),
                                                           isa.getPort());
                                }
                                // 记录当前线程
                                readerThread = NativeThread.current();
                            }
                            for (;;) {
                                InetAddress ia = isa.getAddress();
                                if (ia.isAnyLocalAddress())
                                    ia = InetAddress.getLocalHost();
                                // 调用 Linux 的 connect 函数实现
                                // 如果采用堵塞模式，会一直等待，直到成功或出现异常
                                n = Net.connect(fd,
                                                ia,
                                                isa.getPort());
                                if (  (n == IOStatus.INTERRUPTED)
                                      && isOpen())
                                    continue;
                                break;
                            }
 
                        } finally {
                            readerCleanup();
                            end((n > 0) || (n == IOStatus.UNAVAILABLE));
                            assert IOStatus.check(n);
                        }
                    } catch (IOException x) {
                        // 出现异常，关闭 Channel
                        close();
                        throw x;
                    }
                    synchronized (stateLock) {
                        remoteAddress = isa;
                        if (n > 0) {
                            // n > 0,表示连接成功
                            // 连接成功，更新状态为ST_CONNECTED
                            state = ST_CONNECTED;
                            if (isOpen())
                                
                                localAddress = Net.localAddress(fd);
                            return true;
                        }
                        // 如果是非堵塞模式，而且未立即返回成功，更新状态为ST_PENDING
                        // 由此可见，该状态只有非堵塞时才会存在
                        if (!isBlocking())
                            state = ST_PENDING;
                        else
                            assert false;
                    }
                }
                return false;
            }
        }
    }

该方法的核心方法就在于 n = Net.connect(fd,ia,isa.getPort()); 该方法会一直调用到 native 方法去：

 JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_Net_connect0(JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean preferIPv6,
                             jobject fdo, jobject iao, jint port)
{
    SOCKADDR sa;
    int sa_len = SOCKADDR_LEN;
    int rv;
    //地址转换为struct sockaddr格式
    if (NET_InetAddressToSockaddr(env, iao, port, (struct sockaddr *) &sa,
                                  &sa_len, preferIPv6) != 0)
    {
      return IOS_THROWN;
    }
   //传入 fd 和 sockaddr,与远程服务器建立连接，一般就是 TCP 三次握手
   //如果设置了 configureBlocking(false), 不会堵塞，否则会堵塞一直到超时或出现异常
    rv = connect(fdval(env, fdo), (struct sockaddr *)&sa, sa_len);
    if (rv != 0) { 
        // 0 表示连接成功，失败时通过 errno 获取具体原因
        if (errno == EINPROGRESS) {  //非堵塞，连接还未建立(-2)
            return IOS_UNAVAILABLE;
        } else if (errno == EINTR) {  //中断(-3)
            return IOS_INTERRUPTED;
        }
        return handleSocketError(env, errno); //出错
    }
    return 1; //连接建立,一般TCP连接连接都需要时间，因此除非是本地网络，一般情况下非堵塞模式返回IOS_UNAVAILABLE比较多；
}

读数据：read()

SocketChannel 提供 read() 方法读取数据。

    public int read(ByteBuffer buf) throws IOException {
        synchronized (readLock) {
            // ...
            try {
                // ...
                for (;;) {
                    n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd);
                    if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen()) {
                        continue;
                    }
                    return IOStatus.normalize(n);
                }
 
            } finally {
                // ...
            }
        }
    }

核心方法就在于 IOUtil.read(fd, buf, -1, nd)。

     static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        if (dst.isReadOnly())
            throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
        if (dst instanceof DirectBuffer)
            // 使用直接缓冲区读取数据
            return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);
 
        // 当不是使用直接内存时，则从线程本地缓冲获取一块临时的直接缓冲区存放待读取的数据
        ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
        try {
            int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
            bb.flip();
            if (n > 0)
                // 将直接缓冲区的数据写入到堆缓冲区中
                dst.put(bb);
            return n;
        } finally {
            // 使用完成后释放缓冲
            Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
        }
    }

这里我们看到如果 ByteBuffer 是 DirectBuffer，则调用 readIntoNativeBuffer() 读取数据，如果不是则通过 getTemporaryDirectBuffer() 获取一个临时的直接缓冲区，然后调用 readIntoNativeBuffer()获取数据，然后将获取的数据写入 ByteBuffer 中。

     private static int readIntoNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,long position, NativeDispatcher nd)
        throws IOException
    {
        int pos = bb.position();
        int lim = bb.limit();
        assert (pos <= lim);
        int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);
 
        if (rem == 0)
            return 0;
        int n = 0;
        if (position != -1) {
            n = nd.pread(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos,rem, position);
        } else {
            n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
        }
        if (n > 0)
            bb.position(pos + n);
        return n;
    }

写数据 write()方法和 read()方法大致一样，大明哥这里就不在阐述了，有兴趣的小伙伴自己去研究下。

ServerSocketChannel 与 SocketChannel 原理大同小异，这里就不展开讲述了，下篇文章我们开始研究第三个组件： Selector

参考资料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/180556309

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原文地址：https://www.cnblogs.com/chenssy/p/16069604.html

	// 方式 1
	SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));

	// 方式 2
	SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
	socketChannel.connect(new InetSocketAddress("www.baidu.com", 80));

	// 测试SocketChannel是否为open状态
	socketChannel.isOpen();
	// 测试SocketChannel是否已经被连接
	socketChannel.isConnected();
	// 测试SocketChannel是否正在进行连接
	socketChannel.isConnectionPending();
	// 校验正在进行套接字连接的SocketChannel是否已经完成连接
	socketChannel.finishConnect();

	public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

	public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;

	public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException {
	return read(dsts, 0, dsts.length);
	}

	ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
	int bytesRead = socketChannel.read(buf);

	public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException;

	public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length) throws IOException;

	public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException {
	return write(srcs, 0, srcs.length);
	}

	public static SocketChannel open() throws IOException {
	return SelectorProvider.provider().openSocketChannel();
	}

	public SocketChannel openSocketChannel() throws IOException {
	return new SocketChannelImpl(this);
	}

	SocketChannelImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
	super(sp);
	// 创建 Socket 并创建一个文件描述符与其关联
	this.fd = Net.socket(true);
	// 在注册 selector 的时候需要获取到文件描述符的值
	this.fdVal = IOUtil.fdVal(fd);
	// 设置状态为未连接
	this.state = ST_UNCONNECTED;
	}

	private static final int ST_UNINITIALIZED = -1;
	private static final int ST_UNCONNECTED = 0;
	private static final int ST_PENDING = 1;
	private static final int ST_CONNECTED = 2;
	private static final int ST_KILLPENDING = 3;
	private static final int ST_KILLED = 4;

	public boolean connect(SocketAddress sa) throws IOException {
	int localPort = 0;

	// 注意这里的加锁
	synchronized (readLock) {
	synchronized (writeLock) {
	// 确保当前 SocketChannel 是打开且未连接的
	ensureOpenAndUnconnected();
	InetSocketAddress isa = Net.checkAddress(sa);
	SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
	if (sm != null)
	sm.checkConnect(isa.getAddress().getHostAddress(),
	isa.getPort());
	// 这里的锁是注册和阻塞配置的锁
	synchronized (blockingLock()) {
	int n = 0;
	try {
	try {
	// 支持线程中断，通过设置当前线程的Interruptible blocker属性实现
	begin();
	//
	synchronized (stateLock) {
	// 默认为 open, 除非调用了 close()
	if (!isOpen()) {
	return false;
	}
	// 只有未绑定本地地址也就是说未调用bind方法才执行
	if (localAddress == null) {
	NetHooks.beforeTcpConnect(fd,
	isa.getAddress(),
	isa.getPort());
	}
	// 记录当前线程
	readerThread = NativeThread.current();
	}
	for (;;) {
	InetAddress ia = isa.getAddress();
	if (ia.isAnyLocalAddress())
	ia = InetAddress.getLocalHost();
	// 调用 Linux 的 connect 函数实现
	// 如果采用堵塞模式，会一直等待，直到成功或出现异常
	n = Net.connect(fd,
	ia,
	isa.getPort());
	if ( (n == IOStatus.INTERRUPTED)
	&& isOpen())
	continue;
	break;
	}

	} finally {
	readerCleanup();
	end((n > 0) \|\| (n == IOStatus.UNAVAILABLE));
	assert IOStatus.check(n);
	}
	} catch (IOException x) {
	// 出现异常，关闭 Channel
	close();
	throw x;
	}
	synchronized (stateLock) {
	remoteAddress = isa;
	if (n > 0) {
	// n > 0,表示连接成功
	// 连接成功，更新状态为ST_CONNECTED
	state = ST_CONNECTED;
	if (isOpen())

	localAddress = Net.localAddress(fd);
	return true;
	}
	// 如果是非堵塞模式，而且未立即返回成功，更新状态为ST_PENDING
	// 由此可见，该状态只有非堵塞时才会存在
	if (!isBlocking())
	state = ST_PENDING;
	else
	assert false;
	}
	}
	return false;
	}
	}
	}

	JNIEXPORT jint JNICALL
	Java_sun_nio_ch_Net_connect0(JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean preferIPv6,
	jobject fdo, jobject iao, jint port)
	{
	SOCKADDR sa;
	int sa_len = SOCKADDR_LEN;
	int rv;
	//地址转换为struct sockaddr格式
	if (NET_InetAddressToSockaddr(env, iao, port, (struct sockaddr *) &sa,
	&sa_len, preferIPv6) != 0)
	{
	return IOS_THROWN;
	}
	//传入 fd 和 sockaddr,与远程服务器建立连接，一般就是 TCP 三次握手
	//如果设置了 configureBlocking(false), 不会堵塞，否则会堵塞一直到超时或出现异常
	rv = connect(fdval(env, fdo), (struct sockaddr *)&sa, sa_len);
	if (rv != 0) {
	// 0 表示连接成功，失败时通过 errno 获取具体原因
	if (errno == EINPROGRESS) { //非堵塞，连接还未建立(-2)
	return IOS_UNAVAILABLE;
	} else if (errno == EINTR) { //中断(-3)
	return IOS_INTERRUPTED;
	}
	return handleSocketError(env, errno); //出错
	}
	return 1; //连接建立,一般TCP连接连接都需要时间，因此除非是本地网络，一般情况下非堵塞模式返回IOS_UNAVAILABLE比较多；
	}

	public int read(ByteBuffer buf) throws IOException {
	synchronized (readLock) {
	// ...
	try {
	// ...
	for (;;) {
	n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd);
	if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen()) {
	continue;
	}
	return IOStatus.normalize(n);
	}

	} finally {
	// ...
	}
	}
	}

	static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,NativeDispatcher nd)
	throws IOException
	{
	if (dst.isReadOnly())
	throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
	if (dst instanceof DirectBuffer)
	// 使用直接缓冲区读取数据
	return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd);

	// 当不是使用直接内存时，则从线程本地缓冲获取一块临时的直接缓冲区存放待读取的数据
	ByteBuffer bb = Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining());
	try {
	int n = readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd);
	bb.flip();
	if (n > 0)
	// 将直接缓冲区的数据写入到堆缓冲区中
	dst.put(bb);
	return n;
	} finally {
	// 使用完成后释放缓冲
	Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb);
	}
	}

	private static int readIntoNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,long position, NativeDispatcher nd)
	throws IOException
	{
	int pos = bb.position();
	int lim = bb.limit();
	assert (pos <= lim);
	int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

	if (rem == 0)
	return 0;
	int n = 0;
	if (position != -1) {
	n = nd.pread(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos,rem, position);
	} else {
	n = nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() + pos, rem);
	}
	if (n > 0)
	bb.position(pos + n);
	return n;
	}