NIO——网络编程

非阻塞 vs 阻塞

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
  • 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置
• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持
• 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面
  • 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
  • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接

服务器端

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

客户端

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

非阻塞

• 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停
  • 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
  • SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept
  • 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
• 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu
• 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方）

服务器端，客户端代码不变

// 使用 nio 来理解非阻塞模式, 单线程
// 0. ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 1. 创建了服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
// 2. 绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 3. 连接集合
List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
while (true) {// 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信SocketChannel sc = ssc.accept(); // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是nullif (sc != null) {log.debug("connected... {}", sc);sc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式channels.add(sc);}for (SocketChannel channel : channels) {// 5. 接收客户端发送的数据int read = channel.read(buffer);// 非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0if (read > 0) {buffer.flip();debugRead(buffer);buffer.clear();log.debug("after read...{}", channel);}}
}

多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用

• 多路复用仅针对网络 IO、普通文件 IO 没法利用多路复用
• 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证 有可连接事件时才去连接，有可读事件才去读取， 有可写事件才去写入， 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件。

Selector

好处

• 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功，让这个线程能够被充分利用，节约了线程的数量，减少了线程上下文切换

创建

Selector selector = Selector.open();

绑定 Channel 事件

也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心

channel.configureBlocking(false);
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
  1、 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
  2、 channel 可写，会触发 write 事件
  3、在 linux 下 nio bug 发生时
• 调用 selector.wakeup()
• 调用 selector.close()
• selector 所在线程 interrupt

处理 accept 事件

客户端代码为

public class Client {public static void main(String[] args) {try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {System.out.println(socket);socket.getOutputStream().write("world".getBytes());System.in.read();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

服务器端代码为

@Slf4j
public class ChannelDemo6 {public static void main(String[] args) {try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {channel.bind(new InetSocketAddress(8080));System.out.println(channel);Selector selector = Selector.open();channel.configureBlocking(false);channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {int count = selector.select();
//                int count = selector.selectNow();log.debug("select count: {}", count);
//                if(count <= 0) {
//                    continue;
//                }// 获取所有事件Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();// 遍历所有事件，逐一处理Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 判断事件类型if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();// 必须处理SocketChannel sc = c.accept();log.debug("{}", sc);}// 处理完毕，必须将事件移除iter.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

事件发生后能否不处理💡

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

处理 read 事件

@Slf4j
public class ChannelDemo6 {public static void main(String[] args) {try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {channel.bind(new InetSocketAddress(8080));System.out.println(channel);Selector selector = Selector.open();channel.configureBlocking(false);channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {int count = selector.select();
//                int count = selector.selectNow();log.debug("select count: {}", count);
//                if(count <= 0) {
//                    continue;
//                }// 获取所有事件Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();// 遍历所有事件，逐一处理Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 判断事件类型if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();// 必须处理SocketChannel sc = c.accept();sc.configureBlocking(false);sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);log.debug("连接已建立: {}", sc);} else if (key.isReadable()) {SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);int read = sc.read(buffer);if(read == -1) {key.cancel();sc.close();} else {buffer.flip();debug(buffer);}}// 处理完毕，必须将事件移除iter.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

开启两个客户端，修改一下发送文字，输出

sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367]
21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378]
21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1+-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 77 6f 72 6c 64                                  |world           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

为何要 iter.remove()💡

因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如

• 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
• 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常

cancel 的作用💡

cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件

不处理边界的问题⚠️

以前有同学写过这样的代码，思考注释中两个问题，以 bio 为例，其实 nio 道理是一样的

public class Server {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);while (true) {Socket s = ss.accept();InputStream in = s.getInputStream();// 这里这么写，有没有问题byte[] arr = new byte[4];while(true) {int read = in.read(arr);// 这里这么写，有没有问题if(read == -1) {break;}System.out.println(new String(arr, 0, read));}}}
}

客户端

public class Client {public static void main(String[] args) throws IOException {Socket max = new Socket("localhost", 9000);OutputStream out = max.getOutputStream();out.write("hello".getBytes());out.write("world".getBytes());out.write("你好".getBytes());max.close();}
}

输出

hell
owor
ld�
�好

为什么？

处理消息的边界

• 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
• TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
  • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式

服务器端

private static void split(ByteBuffer source) {source.flip();for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {// 找到一条完整消息if (source.get(i) == '\n') {int length = i + 1 - source.position();// 把这条完整消息存入新的 ByteBufferByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);// 从 source 读，向 target 写for (int j = 0; j < length; j++) {target.put(source.get());}debugAll(target);}}source.compact(); // 0123456789abcdef  position 16 limit 16
}public static void main(String[] args) throws IOException {// 1. 创建 selector, 管理多个 channelSelector selector = Selector.open();ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);// 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）// SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);// key 只关注 accept 事件sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);log.debug("sscKey:{}", sscKey);ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));while (true) {// 3. select 方法, 没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行// select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理selector.select();// 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); // accept, readwhile (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理就会有问题iter.remove();log.debug("key: {}", key);// 5. 区分事件类型if (key.isAcceptable()) { // 如果是 acceptServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = channel.accept();sc.configureBlocking(false);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment// 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);log.debug("{}", sc);log.debug("scKey:{}", scKey);} else if (key.isReadable()) { // 如果是 readtry {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel// 获取 selectionKey 上关联的附件ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();int read = channel.read(buffer); // 如果是正常断开，read 的方法的返回值是 -1if(read == -1) {key.cancel();} else {split(buffer);// 需要扩容if (buffer.position() == buffer.limit()) {ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);buffer.flip();newBuffer.put(buffer); // 0123456789abcdef3333\nkey.attach(newBuffer);}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();key.cancel();  // 因为客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）}}}}
}

客户端

SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
// sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef"));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n"));
System.in.read();

ByteBuffer 大小分配

• 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
• ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
  • 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现 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

处理 write 事件

一次无法写完例子

• 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）
• 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
  • 当消息处理器第一次写入消息时，才将 channel 注册到 selector 上
  • selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册
  • 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件

public class WriteServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));Selector selector = Selector.open();ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while(true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove();if (key.isAcceptable()) {SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);SelectionKey sckey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);// 1. 向客户端发送内容StringBuilder sb = new StringBuilder();for (int i = 0; i < 3000000; i++) {sb.append("a");}ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());int write = sc.write(buffer);// 3. write 表示实际写了多少字节System.out.println("实际写入字节:" + write);// 4. 如果有剩余未读字节，才需要关注写事件if (buffer.hasRemaining()) {// read 1  write 4// 在原有关注事件的基础上，多关注 写事件sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);// 把 buffer 作为附件加入 sckeysckey.attach(buffer);}} else if (key.isWritable()) {ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();int write = sc.write(buffer);System.out.println("实际写入字节:" + write);if (!buffer.hasRemaining()) { // 写完了key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);key.attach(null);}}}}}
}

客户端

public class WriteClient {public static void main(String[] args) throws IOException {Selector selector = Selector.open();SocketChannel sc = SocketChannel.open();sc.configureBlocking(false);sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));int count = 0;while (true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove();if (key.isConnectable()) {System.out.println(sc.finishConnect());} else if (key.isReadable()) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);count += sc.read(buffer);buffer.clear();System.out.println(count);}}}}
}

write 为何要取消💡

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