Selector空轮询

Posted 2022-12-11 买糖买板栗

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Selector空轮询相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决。该BUG以及与该BUG相关的问题单可以参见以下链接内容。

https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=2147719

https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6403933

参考：https://github.com/netty/netty/issues/327

参考：https://www.jianshu.com/p/d0f06b13e2fb

参考：http://blog.jobbole.com/105564/

参考：http://blog.csdn.net/xyls12345/article/details/26571699

Selector BUG出现的原因

若Selector的轮询结果为空，也没有wakeup或新消息处理，则发生空轮询，CPU使用率100%

Netty的解决办法

对Selector的select操作周期进行统计，每完成一次空的select操作进行一次计数，
若在某个周期内连续发生N次空轮询，则触发了epoll死循环bug。
重建Selector，判断是否是其他线程发起的重建请求，若不是则将原SocketChannel从旧的Selector上去除注册，重新注册到新的Selector上，并将原来的Selector关闭。

参考：http://blog.csdn.net/baiye_xing/article/details/73351330

前面讲到了epoll的一些机制，与select和poll等传统古老的IO多路复用机制的一些区别，这些区别实质可以总结为一句话，

就是epoll将重要的基于事件的fd集合放在了内核中来完成，因为内核是高效的，所以很多关于fd事件监听集合的操作也是高效的，

不方便的就是，因为在内核中，所以我们需要通过系统调用来调用关于fd操作集合，而不是直接自己攒一个。

如果在linux中，epoll在JDK6中还需要配置，在后续的版本中为JDK的NIO提供了默认的实现，但是epoll在JDK中的实现却是漏洞百出的，

bug非常的多，比较容易复现并且被众多人诟病的就是epoll轮询的处理方法。

sun的bug列表为：

JDK-6670302 (se) NIO selector wakes up with 0 selected keys infinitely [lnx 2.4]

JDK-6670302 : (se) NIO selector wakes up with 0 selected keys infinitely [lnx 2.4]

===》这个bug的描述内容为，在NIO的selector中，即使是关注的select轮询事件的key为0的话，NIO照样不断的从select本应该阻塞的

情况中wake up出来，也就是下图中的红色阻塞的部分：

然后，因为selector的select方法，返回numKeys是0，所以下面本应该对key值进行遍历的事件处理根本执行不了，又回到最上面的while(true)循环，循环往复，不断的轮询，直到linux系统出现100%的CPU情况，其它执行任务干不了活，

最终导致程序崩溃。

==》从这个bug上来看，这个绝对是JDK中的问题，select方法就应该是阻塞的，没有key事件过来，那么就不应该返回，和应用程序的写法没有任何的关系，与之相差不多的一个bug给出了解决的方案：

JDK-6403933 (se) Selector doesn't block on Selector.select(timeout) (lnx)

JDK-6403933 : (se) Selector doesn't block on Selector.select(timeout) (lnx)

这个bug的意思基本上和前面的JDK-6670302相差不大，也是Selector不阻塞，前一个bug说明的是最终的现象，

这个JDK-6403933的bug说出了实质的原因：

具体解释为，在部分Linux的2.6的kernel中，poll和epoll对于突然中断的连接socket会对返回的eventSet事件集合置为POLLHUP，也可能是POLLERR，eventSet事件集合发生了变化，这就可能导致Selector会被唤醒。==》这是与操作系统机制有关系的，JDK虽然仅仅

是一个兼容各个操作系统平台的软件，但很遗憾在JDK5和JDK6最初的版本中（严格意义上来将，JDK部分版本都是），这个问题并没有解决，而将这个帽子抛给了操作系统方，这也就是这个bug最终一直到2013年才最终修复的原因，最终影响力太广。

修复的方法，在这个bug中已经提到了：

上面是第一个建议，首先将SelectKey去除掉，然后“刷新”一下Selector，刷新的方式也就是调用Selector.selectNow方法，

这个示意的代码如下：

这段代码意味着重置，首先将SelectionKey注销掉，然后重新调用非阻塞的selectNow来让Selector换取“新生”。

这种修改方式就是grizzly的commiteer们最先进行修改的，并且通过众多的测试说明这种修改方式大大降低了JDK NIO的问题。

但是，这种修改仍然不是可靠的，一共有两点：

1.多个线程中的SelectionKey的key的cancel，很可能和下面的Selector.selectNow同时并发，如果是导致key的cancel后运行很可能没有效果

2.与其说第一点使得NIO空转出现的几率大大降低，经过Jetty服务器的测试报告发现，这种重复利用Selector并清空SelectionKey的改法很可能没有任何的效果，

最终的终极办法是创建一个新的Selector

具体的Jetty服务器的分析地址为：

Jetty/Feature/JVM NIO Bug

Jetty首先定义两了-D参数：

org.mortbay.io.nio.JVMBUG_THRESHHOLD, defaults to 512 and is the number of zero select returns that must be exceeded in a period.
org.mortbay.io.nio.MONITOR_PERIOD defaults to 1000 and is the period over which the threshhold applies.

第一个参数是select返回值为0的计数，第二个是多长时间，整体意思就是控制在多长时间内，如果Selector.select不断返回0，说明进入了JVM的bug的模式

那么，Jetty这时候就有所作为了，我们看到Jetty的具体的代码如下：

首先，根据-D参数判断是否进入了JAVA NIO空转的bug模式，一个是判断时间，一个是判断次数，次数通过-jvmBug作为计数器进行统计；如果一旦确定是bug，可以看到上述代码为了防止并发出现，加了Sychronized锁，接着开启一个新的Selector，并将原有的SelectionKey的事件全部转移到了新的Selector中，最后将-jvmBug计数器置0；

==》这种处理方法要保险的多，基本上不会有任何的问题了，

即使上述的处理方式，对应极少的linux环境和JDK的版本，仍会出现一些问题，这主要是因为网络中断的间隔时间太短造成的，需要给内核一定的时钟周期进行缓冲，而上述的Jetty的org.mortbay.io.nio.BUSY_PAUSE这个参数就是起到间隔的作用，间隔多少微秒再调用Select，这样基本上能最大程度上避免上述问题出现了。

从上面Jetty各种处理方法来看，基本能屏蔽低版本JDK和操作系统的epoll的影响，让NIO可以无忧运行。当然，对于NIO框架也是修正了这些错误，前面提到的Griizzly和Netty都对这个问题采取了响应的策略。

以Netty为例，具体位置在Nioselector的实现类AbsNioSelector中，思路和Jetty的处理方式几乎是一样的，就是netty讲重建Selector的过程抽取成了一个方法，叫做rebuildSelector，可以看看其方法：

public void rebuildSelector() 
        if (!inEventLoop()) 
            execute(new Runnable() 
                @Override
                public void run() 
                    rebuildSelector();
                
            );
            return;
        

        final Selector oldSelector = selector;
        final Selector newSelector;

        if (oldSelector == null) 
            return;
        

        try 
            newSelector = openSelector();
         catch (Exception e) 
            logger.warn("Failed to create a new Selector.", e);
            return;
        

        // Register all channels to the new Selector.
        int nChannels = 0;
        for (;;) 
            try 
                for (SelectionKey key: oldSelector.keys()) 
                    Object a = key.attachment();
                    try 
                        if (!key.isValid() || key.channel().keyFor(newSelector) != null) 
                            continue;
                        

                        int interestOps = key.interestOps();
                        key.cancel();
                        SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelector, interestOps, a);
                        if (a instanceof AbstractNioChannel) 
                            // Update SelectionKey
                            ((AbstractNioChannel) a).selectionKey = newKey;
                        
                        nChannels ++;
                     catch (Exception e) 
                        logger.warn("Failed to re-register a Channel to the new Selector.", e);
                        if (a instanceof AbstractNioChannel) 
                            AbstractNioChannel ch = (AbstractNioChannel) a;
                            ch.unsafe().close(ch.unsafe().voidPromise());
                         else 
                            @SuppressWarnings("unchecked")
                            NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask<SelectableChannel>) a;
                            invokeChannelUnregistered(task, key, e);
                        
                    
                
             catch (ConcurrentModificationException e) 
                // Probably due to concurrent modification of the key set.
                continue;
            

            break;
        

        selector = newSelector;

        try 
            // time to close the old selector as everything else is registered to the new one
            oldSelector.close();
         catch (Throwable t) 
            if (logger.isWarnEnabled()) 
                logger.warn("Failed to close the old Selector.", t);
            
        

        logger.info("Migrated " + nChannels + " channel(s) to the new Selector.");

基本上类似，这里就不再缀余。

分析到这里，可以看到为什么NIO框架如Netty，Grizzly，还有最近的炒得很热的Jboss的UnderTow，NIO远远不止这篇文章分析得这一个，还有很多，大可在JDK官网上去查，而这些框架都将NIO的很多不好用的问题，bug隐藏起来了，并加上诸如限流，字符转换，基于设计模式等特性，让开发人员更好的编写高并发的程序，而不用过多的网络的关注与细节。

由此可见，现在JAVA真是越来越危机了，从前几年的SSH把java ee给替换掉，到现在jdk都时不时冒出一个bug来,而且最近JDK8中的一个bug大有超过这个bug之势，jcp社区确实需要好好反省了，要不然java没落了，一干程序员又得下岗再就业了。

总结：

NIO的空转bug历史悠久流传广泛，应用服务器的前端框架一般都采取换一个新Selector的方式对此进行处理，屏蔽掉了JDK5/6的问题，但对于此问题来讲，还是尽量将JDK的版本更新到最新，或者使用NIO框架如Netty，Grizzly等进行研发，以免出更多的问题。

epoll bug CPU空轮询

SUN在解决该BUG的问题上不给力，只能从NIO框架层面进行问题规避，下面我们看下Netty是如何解决该问题的。

Netty的解决策略：

1) 根据该BUG的特征，首先侦测该BUG是否发生；

2) 将问题Selector上注册的Channel转移到新建的Selector上；

3) 老的问题Selector关闭，使用新建的Selector替换。

下面具体看下代码，首先检测是否发生了该BUG：