NIO底层实现

背景

​ 当前，Java工程师需要开发网络应用程序，Netty几乎是首选，下面简单列一下Netty的使用场景：

1. 构建高性能、低延迟的java中间件，如MQ，RPC框架等。

2. 基于其它应用层协议的基础通信框架，如开发IM程序相关的WebSocket等。

3. 其它领域：游戏等。

   而Netty底层是基于NIO开发的，NIO是java 1.4版本开始提供的非阻塞通信API。和之前的BIO相比，能够实现IO多路复用，实现单线程同时处理多个连接请求和IO。一个典型的NIO程序如下：

   public class Main {
   
   
       public static void main(String[] args) throws IOException {
   
           ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
           serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
           serverSocketChannel.configureBlocking(false);
           //注册selector事件
           Selector selector = Selector.open();
           serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   
           System.out.println("服务器启动...");
   
           while (true) {
   
               //阻塞等待事件发生
               selector.select();
   
               //获取selector中注册的全部事件的SelectionKey实例
               Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
               Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
   
               while (iterator.hasNext()) {
   
                   SelectionKey selectionKey = iterator.next();
   
                   if (selectionKey.isAcceptable()) {
   
                       ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                       SocketChannel client = server.accept();
                       client.configureBlocking(false);
                       //注册读事件，需要向客户端发数据可注册写事件
                       client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                       System.out.println("客户端连接成功");
   
                   } else if (selectionKey.isReadable()) {
   
                       SocketChannel client = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);
                       int len = client.read(buffer);
                       if (len > 0) {
                           System.out.println("收到客户端消息：" + new String(buffer.array(), StandardCharsets.UTF_8));
                       } else if (len == -1) {
                           System.out.println("客户端断开连接");
                           client.close();
                       }
                   }
   
                   //从事件集合中移除本次已处理的key，防止下次重复处理
                   iterator.remove();
               }
   
           }
       }
   
   
   }
   

   其中实现IO多路复用的关键代码是以下三句：

   //创建selector
   Selector selector = Selector.open();
   
   //注册监听
   serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   
   //阻塞等待事件发生
   selector.select();
   

​ 通过将所有的连接事件和IO事件注册到操作系统，操作系统收到相应事件后，进行回调，告知上层发生相应事件，实现了单线程非阻塞地处理多个连接请求。下面对底层实现做简要分析。

Linux系统函数

linux系统提供了三个系统函数，分别是：

//创建一个epoll文件描述符
int epoll_create(int size);

//向epoll中添加、删除或者修改事件
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

//等待事件发生，其中timeout表示该方法需阻塞的时长：若置为-1，则无限阻塞，直到有事件发生；若置为0，则立即返回，不管有没有事件发生；若置为大于0的值，则至多阻塞timeout时长后返回
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,
                      int maxevents, int timeout);

执行Selector.open()时会触发epoll_create函数；

而注册事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)发生时，NIO会将该事件存到一个array或者map；

最后执行selector.select()时，会将上述array或者map中未注册的或者有修改的事件使用epoll_ctl函数进行注册，最后调用epoll_wait方法监听事件的发生。

关于epoll的原理，参见：epoll原理 epoll原理2

IO多路复用的理解：

其中第七部，需要解析包体，根据端口号找到对应的socket