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

channel

buffer

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

socket1

thread

socket2

thread

socket3

thread

⚠️ 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

socket1

thread

socket2

thread

socket3

socket4

⚠️ 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）

selector 版

selector

thread

channel

channel

channel

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 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

@Slf4j
public class ChannelDemo1 {public static void main(String[] args) {try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) {FileChannel channel = file.getChannel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);do {// 向 buffer 写入int len = channel.read(buffer);log.debug("读到字节数：{}", len);if (len == -1) {break;}// 切换 buffer 读模式buffer.flip();while(buffer.hasRemaining()) {log.debug("{}", (char)buffer.get());}// 切换 buffer 写模式buffer.clear();} while (true);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

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

• 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

public class ByteBufferUtil {private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];private static final String[] HEXPADDING = new String[16];private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];
​static {final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();for (int i = 0; i < 256; i++) {HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];}
​int i;
​// Generate the lookup table for hex dump paddingsfor (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {int padding = HEXPADDING.length - i;StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);for (int j = 0; j < padding; j++) {buf.append("   ");}HEXPADDING[i] = buf.toString();}
​// Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {StringBuilder buf = new StringBuilder(12);buf.append(NEWLINE);buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');buf.append('|');HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();}
​// Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversionfor (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);}
​// Generate the lookup table for byte dump paddingsfor (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {int padding = BYTEPADDING.length - i;StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);for (int j = 0; j < padding; j++) {buf.append(' ');}BYTEPADDING[i] = buf.toString();}
​// Generate the lookup table for byte-to-char conversionfor (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {BYTE2CHAR[i] = '.';} else {BYTE2CHAR[i] = (char) i;}}}
​/*** 打印所有内容* @param buffer*/public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {int oldlimit = buffer.limit();buffer.limit(buffer.capacity());StringBuilder origin = new StringBuilder(256);appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);System.out.println(origin);buffer.limit(oldlimit);}
​/*** 打印可读取内容* @param buffer*/public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {StringBuilder builder = new StringBuilder(256);appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());System.out.println(builder);}
​private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {throw new IndexOutOfBoundsException("expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length+ ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');}if (length == 0) {return;}dump.append("         +-------------------------------------------------+" +NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
​final int startIndex = offset;final int fullRows = length >>> 4;final int remainder = length & 0xF;
​// Dump the rows which have 16 bytes.for (int row = 0; row < fullRows; row++) {int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;
​// Per-row prefix.appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);
​// Hex dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + 16;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(" |");
​// ASCII dumpfor (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append('|');}
​// Dump the last row which has less than 16 bytes.if (remainder != 0) {int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);
​// Hex dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(HEXPADDING[remainder]);dump.append(" |");
​// Ascii dumpfor (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(BYTEPADDING[remainder]);dump.append('|');}
​dump.append(NEWLINE +"+--------+-------------------------------------------------+----------------+");}
​private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);} else {dump.append(NEWLINE);dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');dump.append('|');}}
​public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);}
}

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);

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);

和

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);

和

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

ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好");
ByteBuffer buffer2 = Charset.forName("utf-8").encode("你好");
​
debug(buffer1);
debug(buffer2);
​
CharBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1);
System.out.println(buffer3.getClass());
System.out.println(buffer3.toString());

输出

         +-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------++-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
class java.nio.HeapCharBuffer
你好

⚠️ 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

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {FileChannel channel = file.getChannel();ByteBuffer a = ByteBuffer.allocate(3);ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(3);ByteBuffer c = ByteBuffer.allocate(5);channel.read(new ByteBuffer[]{a, b, c});a.flip();b.flip();c.flip();debug(a);debug(b);debug(c);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

结果

         +-------------------------------------------------+         | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 6f 6e 65                                       |one             | +--------+-------------------------------------------------+----------------+         +-------------------------------------------------+         | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 74 77 6f                                       |two             | +--------+-------------------------------------------------+----------------+         +-------------------------------------------------+         | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 74 68 72 65 65                                 |three           | +--------+-------------------------------------------------+----------------+

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

try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) {FileChannel channel = file.getChannel();ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4);ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4);channel.position(11);d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'});e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'});d.flip();e.flip();debug(d);debug(e);channel.write(new ByteBuffer[]{d, e});
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

输出

         +-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 6f 75 72                                     |four            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------++-------------------------------------------------+|  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 66 69 76 65                                     |five            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

文件内容

onetwothreefourfive

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

public static void main(String[] args) {ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);//                     11            24source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());split(source);
​source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());split(source);
}
​
private static void split(ByteBuffer source) {source.flip();int oldLimit = source.limit();for (int i = 0; i < oldLimit; i++) {if (source.get(i) == '\n') {System.out.println(i);ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());// 0 ~ limitsource.limit(i + 1);target.put(source); // 从source 读，向 target 写debugAll(target);source.limit(oldLimit);}}source.compact();
}

3. 文件编程

3.1 FileChannel

⚠️ FileChannel 工作模式

FileChannel 只能工作在阻塞模式下

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

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip();   // 切换读模式while(buffer.hasRemaining()) {channel.write(buffer);
}

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

long newPos = ...;
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

String FROM = "helloword/data.txt";
String TO = "helloword/to.txt";
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();) {from.transferTo(0, from.size(), to);
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
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

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

实际传输一个超大文件

position:0 left:7769948160
position:2147483647 left:5622464513
position:4294967294 left:3474980866
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

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

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

会输出

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

3.4 Files

检查文件是否存在

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

创建一级目录

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

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

拷贝文件

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

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/data.txt");
​
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);

• StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性

删除文件

Path target = Paths.get("helloword/target.txt");
​
Files.delete(target);

• 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException

删除目录

Path target = Paths.get("helloword/d1");
​
Files.delete(target);

• 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历目录文件

public static void main(String[] args) throws IOException {Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {System.out.println(dir);dirCount.incrementAndGet();return super.preVisitDirectory(dir, attrs);}
​@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {System.out.println(file);fileCount.incrementAndGet();return super.visitFile(file, attrs);}});System.out.println(dirCount); // 133System.out.println(fileCount); // 1479
}

统计 jar 的数目

Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91");
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {if (file.toFile().getName().endsWith(".jar")) {fileCount.incrementAndGet();}return super.visitFile(file, attrs);}
});
System.out.println(fileCount); // 724

删除多级目录

Path path = Paths.get("d:\\a");
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {Files.delete(file);return super.visitFile(file, attrs);}
​@Overridepublic FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {Files.delete(dir);return super.postVisitDirectory(dir, exc);}
});

⚠️ 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

long start = System.currentTimeMillis();
String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64";
String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa";
​
Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {try {String targetName = path.toString().replace(source, target);// 是目录if (Files.isDirectory(path)) {Files.createDirectory(Paths.get(targetName));}// 是普通文件else if (Files.isRegularFile(path)) {Files.copy(path, Paths.get(targetName));}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}
});
long end = System.currentTimeMillis();
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

// 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

4.2 Selector

selector 版

selector

thread

channel

channel

channel

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

  • 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

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

4.4 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

客户端1服务器ByteBuffer1ByteBuffer2发送 01234567890abcdef3333\r第一次 read 存入 01234567890abcdef扩容拷贝 01234567890abcdef第二次 read 存入 3333\r01234567890abcdef3333\r客户端1服务器ByteBuffer1ByteBuffer2

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 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

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

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

• 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

public class ChannelDemo7 {public static void main(String[] args) throws IOException {new BossEventLoop().register();}
​
​@Slf4jstatic class BossEventLoop implements Runnable {private Selector boss;private WorkerEventLoop[] workers;private volatile boolean start = false;AtomicInteger index = new AtomicInteger();
​public void register() throws IOException {if (!start) {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));ssc.configureBlocking(false);boss = Selector.open();SelectionKey ssckey = ssc.register(boss, 0, null);ssckey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);workers = initEventLoops();new Thread(this, "boss").start();log.debug("boss start...");start = true;}}
​public WorkerEventLoop[] initEventLoops() {
//        EventLoop[] eventLoops = new EventLoop[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];WorkerEventLoop[] workerEventLoops = new WorkerEventLoop[2];for (int i = 0; i < workerEventLoops.length; i++) {workerEventLoops[i] = new WorkerEventLoop(i);}return workerEventLoops;}
​@Overridepublic void run() {while (true) {try {boss.select();Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove();if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = c.accept();sc.configureBlocking(false);log.debug("{} connected", sc.getRemoteAddress());workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
​@Slf4jstatic class WorkerEventLoop implements Runnable {private Selector worker;private volatile boolean start = false;private int index;
​private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> tasks = new ConcurrentLinkedQueue<>();
​public WorkerEventLoop(int index) {this.index = index;}
​public void register(SocketChannel sc) throws IOException {if (!start) {worker = Selector.open();new Thread(this, "worker-" + index).start();start = true;}tasks.add(() -> {try {SelectionKey sckey = sc.register(worker, 0, null);sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);worker.selectNow();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}});worker.wakeup();}
​@Overridepublic void run() {while (true) {try {worker.select();Runnable task = tasks.poll();if (task != null) {task.run();}Set<SelectionKey> keys = worker.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();if (key.isReadable()) {SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);try {int read = sc.read(buffer);if (read == -1) {key.cancel();sc.close();} else {buffer.flip();log.debug("{} message:", sc.getRemoteAddress());debugAll(buffer);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();key.cancel();sc.close();}}iter.remove();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

💡 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

public class UdpServer {public static void main(String[] args) {try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));System.out.println("waiting...");ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);channel.receive(buffer);buffer.flip();debug(buffer);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

输出

waiting...

运行客户端

public class UdpClient {public static void main(String[] args) {try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);channel.send(buffer, address);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}

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

• 阻塞 IO

   

• 非阻塞 IO

• 多路复用

• 信号驱动

• 异步 IO

• 阻塞 IO vs 多路复用

  

   

   

🔖 参考

UNIX 网络编程 - 卷 I

5.3 零拷贝

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

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

内部工作流程是这样的：

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. 从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

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

 

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）

 

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 和 length 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

@Slf4j
public class AioDemo1 {public static void main(String[] args) throws IOException {try{AsynchronousFileChannel s = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);log.debug("begin...");s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {log.debug("read completed...{}", result);buffer.flip();debug(buffer);}
​@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {log.debug("read failed...");}});
​} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}log.debug("do other things...");System.in.read();}
}

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

public class AioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open();ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc));System.in.read();}
​private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {try {System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());sc.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
​private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {private final AsynchronousSocketChannel sc;
​public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {this.sc = sc;}
​@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {try {if (result == -1) {closeChannel(sc);return;}System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());attachment.flip();System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));attachment.clear();// 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sc.read(attachment, attachment, this);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
​@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {closeChannel(sc);exc.printStackTrace();}}
​private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {private final AsynchronousSocketChannel sc;
​private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {this.sc = sc;}
​@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {// 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容if (attachment.hasRemaining()) {sc.write(attachment);}}
​@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {exc.printStackTrace();closeChannel(sc);}}
​private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;
​public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {this.ssc = ssc;}
​@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {try {System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 读事件由 ReadHandler 处理sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));// 写事件由 WriteHandler 处理sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));// 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ssc.accept(null, this);}
​@Overridepublic void failed(Throwable exc, Object attachment) {exc.printStackTrace();}}
}