漫谈NIO(2)之Java的NIO
1.前言
上章提到过Java的NIO采取的是多路IO复用模式，其衍生出来的模型就是Reactor模型。多路IO复用有两种方式，一种是select/poll，另一种是epoll。在windows系统上使用的是select/poll方式，在linux上使用的是epoll方式，主要是由于DefaultSelectorProvider具体选择的selector决定。epoll是在linux2.6之后才支持的，select的方式时间复杂度为O(N)，最大fd限制是1024。epoll没有数量限制，时间复杂度是O(1)。
再温习一遍多路IO复用的基本思路，阻塞发生在select上面，select管理所有注册在其上的socket请求，socket准备完全就会交由用户程序处理。下面结合java的nio例子，来更细致的讲解一下这种模式，强化理解一下。要写出java的nio不难但要完全正确绝不容易，相关概念不清楚就会产生难以理解的bug，这里有一些相关的陷阱。
另外说明一下，这个例子不一定完全正确，用于演示足够了。对于Java的NIO而言，有几个概念比较重要，这里先提两个channel和buffer。不管是客户端发送服务端接收，还是服务端发送客户端接收，基本的流程都是：发送方发送数据->buffer->发送方channel->接收方channel->buffer->接收方接收数据。
2.具体实现
2.1 服务端
对于服务端而言首先需要的就是确定监听的端口，其次是与之对应的channel，而后就是selector，最后还需要一个线程池。为什么会需要线程池呢？道理很简单，select模式获取了所有channel的change，对于服务端而言，change的可能有非常多的客户端channel，而用户程序只有一个线程，如果这么多个channel一个个顺序执行，如果有耗时严重的操作，那么后果是非常糟糕的，所有客户端都会延时处理，这也是多路IO复用的一个糟糕点。线程池就是为每个客户端分配一个线程去处理，减缓这种情况的后果。Server的基本四个内容就出来了：
private int port;
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private ExecutorService executorService;
接下来就是初始化服务端。初始化的步骤也是一般化：1.初始化连接池；2.初始化Selector；3.初始化绑定端口;4.将socket注册到select上。大致步骤就是这些，但是还有些额外的细节。具体代码如下：
1. executorService = Executors.newCachedThreadPool();
2. selector = Selector.open();
3. serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
4. serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
这里的一个细节就是socket必须是非阻塞模式。初始化完成之后就是正式的逻辑了，再来回忆一下多路IO复用的逻辑，管理多个IO的change事件，阻塞在select上，如果有change事件，select就能继续执行下去，选出change了的IO，只对这部分IO进行操作。这段描述就下面这段简单的代码了：
int event = selector.select();
if(event != 0) {
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
while(it.hasNext()) {
SelectionKey key = it.next();
it.remove();
}
}
这里就是调用selector.select()方法进行阻塞，如果change事件不为0(这个判断应该去掉好点)，获取当前所有change事件。遍历处理，移除该事件。不移除，下次该事件依旧存在，相当于认为是没处理，会出现多次触发错误。
下面详细介绍一下事件的类型，Java定义了4种类型：
1.针对服务端的ACCEPT事件，接收到客户端的连接请求；
2.针对客户端的CONNECT事件，发起对服务端的连接请求；
3.针对获取对端发送的数据的READ事件；
4.针对请求发送数据给对端时准备好了缓冲区的WRITE事件。
其中WRITE事件一般不进行使用，因为大部分情况缓冲区都是空闲的，会立刻触发该事件，这个浪费CPU的性能，还会造成bug。下面代码就是server端处理的一个基本逻辑，也是有些要注意的点。
if(key.isValid() && key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if(key.isValid() && key.isReadable()) {
key.interestOps(0);
executorService.execute(new Task(key));
}
服务端的事件就3个，write事件不用管，所以只需要关注accept和read事件。有请求进来，就接收这个请求，设置成非阻塞式，再注册到selector中，监听该请求的读事件。读事件到来，先将监听的时间改成无，这里是因为异步执行，可能没有读完数据，再次触发了该channel的读事件，重复读取，造成问题。Task就是一个runnabel任务，处理读取，发送应答，这里还需要重新将监听的事件改成读事件，即处理完了本次内容，等待下次内容。
Task的具体内容如下:
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int size = -1;
try {
while((size = channel.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
baos.write(buffer.array(), 0, size);
buffer.clear();
}
if(baos.size() == 0) {
key.cancel();
} else {
// 协议解析
String msg = new String(baos.toByteArray(), "UTF-8");
// 返回该数据
String reply = "get client msg: " + msg;
ByteBuffer re = ByteBuffer.wrap(reply.getBytes());
while(re.hasRemaining()) {
channel.write(re);
}
// 处理完毕后后设置成读状态，继续获取相关数据
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
key.selector().wakeup();
}
} catch (Exception e) {
key.cancel(); // 异常连接中断
}
这里的逻辑就是使用buffer将数据取出来了。取出为0，或者抛出异常，意味着客户端断开了连接，直接取消掉该channel的管理。回写了一个数据。之后就是将事件监听设置回监听读取事件，最后一步需要wakeup一下。wakeup是为了唤醒一下select，原因如下：这个是由于前面先将监听的事件改成了0，后面才改回了read事件。不管是怎么修改，都不是立刻生效的，需要下次select事件触发才能生效，问题也只会出在多线程中。试想一下下面这个过程：
1.A通道有数据了，A先置为0了，开始读取数据，因为是异步的，所以又走到了select阻塞了；
2.B连接进来，触发的select方法，这时A的0才正式生效，这也是我们想要的，因为A之前的数据还在处理，并不是新的数据到来，不需要再次触发读操作。这里先置为0的动作是正确的。
3.此时主线程又走到了select方法阻塞了，注意，此时A生效的是0，A结束此次读操作，等待下次读事件。问题就出在这里，如果不触发一下select方法，此时A即使有新的读事件，其也不会触发，因为重置为read并没有生效，要等select触发才能生效。这就相当于A没接到消息了，如果B有读事件，触发了select方法，则A才能接到消息。wakeup在这里必须添加的目的就是强制触发一下select，使A更新回read事件，而不是不关系任何事件。
实际上触发没有这么麻烦，在客户端还会说到这个问题，有更简单的触发方法。
上面的代码也可以看出nio都是基于buffer操作的。buffer也有很多陷阱，使用正确不容易。下面给出一个我的完整例子，可以运行试试，不保证没bug。了解了上面的知识，测出bug调试应该也不难。
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class NioServer {
private int port;
private Selector selector;
private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
private ExecutorService executorService;
public NioServer(int port) {
this.port = port;
}
public void open() {
this.executorService = Executors.newCachedThreadPool();
try {
this.selector = Selector.open();
this.serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("server端启动...");
for(;;) {
System.out.println("======>select的keys数量：" + selector.keys().size());
int event = selector.select();
System.out.println("======>select的keys数量：" + selector.keys().size() + ", change事件数量：" + event);
if(event != 0) {
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
// System.out.println("======>真实未处理的change事件数量：" + keys.size());
while(it.hasNext()) {
SelectionKey key = it.next();
it.remove(); // 移除这个key
if(key.isValid() && key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("===>获取client连接，准备读取数据:"+ client.socket().getRemoteSocketAddress());
} else if(key.isValid() && key.isReadable()) {
// 先置为0，防止异步线程未处理完该事件又被select
// key.interestOps(key.interestOps() & (~SelectionKey.OP_READ));
key.interestOps(0);
executorService.execute(new Task(key));
} else {
System.out.println("其它事件：" + key.interestOps());
}
}
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
private class Task implements Runnable {
private SelectionKey key;
public Task(SelectionKey key) {
this.key = key;
}
@Override
public void run() {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int size = -1;
try {
// System.out.println("===>开始读取数据");
while((size = channel.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
baos.write(buffer.array(), 0, size);
buffer.clear();
}
if(baos.size() == 0) {
key.cancel();
System.out.println("======<client断开连接:"+ channel.socket().getRemoteSocketAddress());
} else {
// 协议解析
String msg = new String(baos.toByteArray(), "UTF-8");
System.out.println("===>获取client数据: " + msg);
// 返回该数据
String reply = "get client msg: " + msg;
ByteBuffer re = ByteBuffer.wrap(reply.getBytes());
while(re.hasRemaining()) {
channel.write(re);
}
// 处理完毕后后设置成读状态，继续获取相关数据
// key.interestOps((key.interestOps() | SelectionKey.OP_READ));
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
key.selector().wakeup();
System.out.println("===<返回server的获取结果");
}
} catch (Exception e) {
key.cancel(); // 异常连接中断
System.out.println("======<异常client断开连接:"+ channel.socket().getRemoteSocketAddress());
}
}
}
public static void main(String[] args) {
NioServer nioServer = new NioServer(7777);
nioServer.open();
}
}
2.2 客户端
第一节说过，在单个连接的时候，多路IO复用方式甚至没有阻塞式IO性能好，多路IO复用是针对了多个IO操作。这里还是给出客户端的NIO写法。同样的，客户端需要上面的内容，不包括线程池，我们只处理一个客户端连接。需要增加的一个字段就是服务端地址，所以总共也是4个内容：服务端地址、端口、连接通道、select。
private String host;
private int port;
private SocketChannel socketChannel;
private Selector selector;
初始化也是基本操作：1.获取select；2.建立连接；3.注册到select
1. selector = Selector.open();
2. socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.socket().setTcpNoDelay(true);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port));
3. socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
这里要注意的也就是要以非阻塞式的方式进行。后面的步骤也一样，进行select，获取change事件，根据不同的事件处理不同。write事件不使用，客户端关注的就connect和read事件了。
int event = selector.select();
if(event != 0) {
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
while(it.hasNext()) {
SelectionKey sk = it.next();
it.remove();
if(sk.isValid() && sk.isConnectable()) {
if(socketChannel.isConnectionPending()) {
if(socketChannel.finishConnect()) {
sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
} else {
sk.cancel();
}
}
} else if(sk.isValid() && sk.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int size = -1;
while((size = sc.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
baos.write(buffer.array(), 0, size);
buffer.clear();
}
}
}
}
这里要注意的是connect并没有真正连上，要触发了connect事件，执行finishConnect才会连接成功。连接成功后更新成read事件。这里会有一个疑惑，server端的时候intersetOps设置成0或者read不是直接生效，要select执行后才能生效，为什么这边connect设置成read事件就能直接改过来???...这是一个思维陷阱：不是要执行后才能改变状态，而是select认准的状态是select操作之前一瞬间的状态。server端的例子，哪怕不需要两个线程，单个线程也能触发，只要是异步操作。主线程先接收到A的读取操作，设置A成0，然后又进行select了，此一瞬间A的状态是0，后面A处理完后，再来一条消息就没用了，因为此时select阻塞时检测的状态是0，后续改过来也没用，所以才需要wakeup一下，让其认识到其状态应该修改后的read。而上述例子为什么不需要，就是因为这是一个同步的过程，此次connect事件，下次再select的时候一定变成了read。
其他的也没有什么值得一提的了，下面是客户端的完整代码。
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
import java.util.Set;
public class NioClient {
private String host;
private int port;
private SocketChannel socketChannel;
private Selector selector;
public NioClient(String host, int port) {
this.host = host;
this.port = port;
}
public void open() {
try {
selector = Selector.open();
socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.socket().setTcpNoDelay(true);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port));
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
System.out.println("client端启动...");
for(;;) {
System.out.println("======>select的keys数量：" + selector.keys().size());
int event = selector.select();
System.out.println("======>select的keys数量：" + selector.keys().size() + ", change事件数量：" + event);
if(event != 0) {
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
while(it.hasNext()) {
SelectionKey sk = it.next();
it.remove();
if(sk.isValid() && sk.isConnectable()) {
if(socketChannel.isConnectionPending()) {
if(socketChannel.finishConnect()) {
sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
System.out.println("连接上远程服务器：" + socketChannel.getRemoteAddress());
} else {
sk.cancel();
System.out.println("连接未建立...");
}
}
} else if(sk.isValid() && sk.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) sk.channel();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
int size = -1;
while((size = sc.read(buffer)) > 0) {
buffer.flip();
baos.write(buffer.array(), 0, size);
buffer.clear();
}
System.out.println("接收服务器消息：" + new String(baos.toByteArray(), "UTF-8"));
} else {
System.out.println("其它事件：" + sk.interestOps());
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void close() {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void send(String msg) {
byte[] b = msg.getBytes();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(b);
try {
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
NioClient client = new NioClient("127.0.0.1", 7777);
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
client.open();
}
});
thread.setDaemon(true);
thread.start();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while(scanner.hasNext()) {
String msg = scanner.nextLine();
if("close".equals(msg)) {
client.close();
System.out.println("退出成功");
break;
} else {
client.send(msg);
}
}
}
}
3.总结
此章结合java nio的实际demo加强一下对多路IO复用的理解，理解Java的nio基本流程，对于理解后面的netty设计的结构有很大的帮助。
