Socket应用——Java IO演进之路

Posted 2021-07-04 ArthurKingYs

一  BIO

package io; 



import java.io.*;

import java.net.ServerSocket;

import java.net.Socket;



/**

 * @author wys

 * @version $Id: TestSocket.java, v 0.1 2020年08月02日 20:56 wys Exp $

 */

public class Biosocket {

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8090);

        System.out.println("step1: new ServerSocket ");

        while (true) {

            Socket client = serverSocket.accept();

            System.out.println("step2: client\\t" + client.getPort());

            new Thread(() -> {

                try {

                    InputStream in = client.getInputStream();

                    BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));

                    while (true) {

                        System.out.println(reader.readLine());

                    }

                } catch (IOException e) {

                    e.printStackTrace();

                }

            }).start();

        }

    }

}

1  发生的系统调用

启动时

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 5
bind(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
listen(5, 50)                           = 0
poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1) = 1 ([{fd=5, revents=POLLIN}])

poll函数会阻塞直到其中任何一个fd发生事件。

有客户端连接后

accept(5, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(10253), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 6
clone(child_stack=0x7f013e5c4fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f013e5c59d0,         tls=0x7f013e5c5700, child_tidptr=0x7f013e5c59d0) = 13168
poll([{fd=5, events=POLLIN|POLLERR}], 1, -1

抛出线程（即我们代码里的 new Thread() ）后，继续poll阻塞等待连接。

clone出来的线程

recvfrom(6, "hello,bio\\n", 8192, 0, NULL, NULL) =

关于对recvfrom函数的说明，其中第四个参数0 表示这是一个阻塞调用。

客户端发送数据后

recvfrom(6, "hello,bio\\n", 8192, 0, NULL, NULL) = 10

2  优缺点

优点

代码简单，逻辑清晰。

缺点

• 由于stream的read操作是阻塞读，面对多个连接时 每个连接需要每线程。无法处理大量连接（C10K问题）。

• 误区：可见JDK1.8中对于最初的BIO，在Linux OS下仍然使用的poll，poll本身也是相对比较高效的多路复用函数（支持非阻塞、多个socket同时检查event），只是限于JDK最初的stream API限制，无法支持非阻塞读取。

二  NIO（non block）

改进：使用NIO API，将阻塞变为非阻塞， 不需要大量线程。

package io;



import java.io.IOException;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.ServerSocketChannel;

import java.nio.channels.SocketChannel;

import java.util.LinkedList;



/**

 * @author wys

 * @version $Id: NioSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 11:25 wys Exp $

 */

public class NIOSocket {

    private static LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>();



    private static void startClientChannelHandleThread(){

        new Thread(() -> {

            while (true){

                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096);



                //处理客户端连接

                for (SocketChannel c : clients) {

                    // 非阻塞, >0 表示读取到的字节数量, 0或-1表示未读取到或读取异常

                    int num = 0;

                    try {

                        num = c.read(buffer);

                    } catch (IOException e) {

                        e.printStackTrace();

                    }



                    if (num > 0) {

                        buffer.flip();

                        byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()];

                        //从缓冲区 读取到内存中

                        buffer.get(clientBytes);



                        System.out.println(c.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes));



                        //清空缓冲区

                        buffer.clear();

                    }

                }

            }

        }).start();

    }



    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //new socket,开启监听

        ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

        socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));

        //设置阻塞接受客户端连接

        socketChannel.configureBlocking(true);



        //开始client处理线程

        startClientChannelHandleThread();



        while (true) {

            //接受客户端连接; 非阻塞，无客户端返回null(操作系统返回-1)

            SocketChannel client = socketChannel.accept();



            if (client == null) {

                //System.out.println("no client");

            } else {

                //设置读非阻塞

                client.configureBlocking(false);



                int port = client.socket().getPort();

                System.out.println("client port :" + port);



                clients.add(client);

            }

        }

    }

}

1  发生的系统调用

主线程

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
listen(4, 50)                           = 0
fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
accept(4, 0x7fe26414e680, 0x7fe26c376710) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)

有连接后，子线程

read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
read(6, 0x7f3f415b1c50, 4096)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
...

资源使用情况：

2  优缺点

优点

线程数大大减少。

缺点

需要程序自己扫描 每个连接read，需要 O(n)时间复杂度系统调用 （此时可能只有一个连接发送了数据），高频系统调用（导致CPU 用户态内核态切换）高。导致CPU消耗很高。

三  多路复用器（select、poll、epoll）

改进：不需要用户扫描所有连接，由kernel 给出哪些连接有数据，然后应用从有数据的连接读取数据。

1  epoll

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.LinkedList;

import java.util.Set;



/**

 * 多路复用socket

 *

 * @author wys
 * @version $Id: MultiplexingSocket.java, v 0.1 2020年08月09日 12:19 wys Exp $

 */

public class MultiplexingSocket {



    static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(4096);



    public static void main(String[] args) throws Exception {



        LinkedList<SocketChannel> clients = new LinkedList<>();



        //1.启动server

        //new socket,开启监听

        ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();

        socketChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));

        //设置非阻塞，接受客户端

        socketChannel.configureBlocking(false);



        //多路复用器（JDK包装的代理，select /poll/epoll/kqueue）

        Selector selector = Selector.open(); //java自动代理，默认为epoll

        //Selector selector = PollSelectorProvider.provider().openSelector();//指定为poll



        //将服务端socket 注册到 多路复用器

        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);



        //2. 轮训多路复用器

        // 先询问有没有连接,如果有则返回数量以及对应的对象(fd)

        while (selector.select() > 0) {

            System.out.println();

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();



            while (iter.hasNext()) {

                SelectionKey key = iter.next();

                iter.remove();



                //2.1 处理新的连接

                if (key.isAcceptable()) {

                    //接受客户端连接; 非阻塞，无客户端返回null(操作系统返回-1)

                    SocketChannel client = socketChannel.accept();

                    //设置读非阻塞

                    client.configureBlocking(false);



                    //同样，把client也注册到selector

                    client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                    System.out.println("new client : " + client.getRemoteAddress());

                }

                //2.2 处理读取数据

                else if (key.isReadable()) {

                    readDataFromSocket(key);

                }

            }

        }

    }



    protected static void readDataFromSocket(SelectionKey key) throws Exception {

        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();

        // 非阻塞, >0 表示读取到的字节数量, 0或-1表示未读取到或读取异常

        // 请注意：这个例子降低复杂度，不考虑报文大于buffer size的情况

        int num = socketChannel.read(buffer);



        if (num > 0) {

            buffer.flip();

            byte[] clientBytes = new byte[buffer.limit()];

            //从缓冲区 读取到内存中

            buffer.get(clientBytes);



            System.out.println(socketChannel.socket().getPort() + ":" + new String(clientBytes));



            //清空缓冲区

            buffer.clear();

        }

    }

}

2  发生的系统调用

启动

socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
bind(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(9090), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
listen(4, 50)
fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
epoll_create(256)                       = 7
epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=4324783852322029573}}) = 0
epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 4, {EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}) = 0
epoll_wait(7

关于对epoll_create（对应着Java的 Selector selector = Selector.open() ） 的说明，本质上是在内存的操作系统保留区，创建一个epoll数据结构。用于后面当有client连接时，向该epoll区中添加监听。

有连接

epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=4, u64=158913789956}}], 8192, -1) = 1
accept(4, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(29597), sin_addr=inet_addr("42.120.74.252")}, [16]) = 8
fcntl(8, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}) = 0

关于epoll_ctl （对应着Java的 client.register(selector, SelectionKey.OP_READ) ）。其中 EPOLLIN 恰好对应着Java的 SelectionKey.OP_READ 即监听数据到达读取事件。

客户端发送数据

epoll_wait(7,[{EPOLLIN, {u32=8, u64=3212844375897800712}}], 8192, -1) = 1
read(8, "hello,multiplex\\n", 4096)      = 16
epoll_wait(7,

note： epoll_wait第四个参数-1表示block。

poll 和 epoll 对比

根据“1.BIO”中的poll函数调用和epoll函数对比如下：

poll和epoll本质上都是同步IO， 区别于BIO的是 多路复用充分降低了 system call，而epoll更进一步，再次降低了system call的时间复杂度。

3  优缺点

优点

• 线程数同样很少，甚至可以把acceptor线程和worker线程使用同一个。

• 时间复杂度低，Java实现的Selector（在Linux OS下使用的epoll函数）支持多个clientChannel事件的一次性获取，且时间复杂度维持在O(1)。

• CPU使用低：得益于Selector，我们不用向 “2.NIO”中需要自己一个个ClientChannel手动去检查事件，因此使得CPU使用率大大降低。

缺点

• 数据处理麻烦：目前socketChannel.read 读取数据完全是基于字节的，当我们需要需要作为HTTP服务网关时，对于HTTP协议的处理完全需要自己解析，这是个庞大、烦杂、容易出错的工作。

• 性能

• 现有socket数据的读取（ socketChannel.read(buffer) ）全部通过一个buffer 缓冲区来接受，一旦连接多起来，这无疑是一个单线程读取，性能无疑是个问题。

• 那么此时buffer我们每次读取都重新new出来呢？如果每次都new出来，这样的内存碎片对于GC无疑是一场灾难。如何平衡地协调好buffer的共享，既保证性能，又保证线程安全，这是个难题。

四  Netty

1  研究的目标源码（netty提供的入门example）

TelnetServer

package telnet;



import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;

import io.netty.channel.EventLoopGroup;

import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;

import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

import io.netty.handler.logging.LogLevel;

import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

import io.netty.handler.ssl.SslContext;

import io.netty.handler.ssl.SslContextBuilder;

import io.netty.handler.ssl.util.SelfSignedCertificate;



/**

 * Simplistic telnet server.

 */

public final class TelnetServer {



    static final boolean SSL = System.getProperty("ssl") != null;

    static final int PORT = Integer.parseInt(System.getProperty("port", SSL? "8992" : "8023"));



    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // Configure SSL.

        final SslContext sslCtx;

        if (SSL) {

            SelfSignedCertificate ssc = new SelfSignedCertificate();

            sslCtx = SslContextBuilder.forServer(ssc.certificate(), ssc.privateKey()).build();

        } else {

            sslCtx = null;

        }



        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);

        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.group(bossGroup, workerGroup)

             .channel(NioServerSocketChannel.class)

             .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))

             .childHandler(new TelnetServerInitializer(sslCtx));



            b.bind(PORT).sync().channel().closeFuture().sync();

        } finally {

            bossGroup.shutdownGracefully();

            workerGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

}

TelnetServerHandler

package telnet;



import io.netty.channel.ChannelFuture;

import io.netty.channel.ChannelFutureListener;

import io.netty.channel.ChannelHandler.Sharable;

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;



import java.net.InetAddress;

import java.util.Date;



/**

 * Handles a server-side channel.

 */

@Sharable

public class TelnetServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<String> {



    @Override

    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        // Send greeting for a new connection.

        ctx.write("Welcome to " + InetAddress.getLocalHost().getHostName() + "!\\r\\n");

        ctx.write("It is " + new Date() + " now.\\r\\n");

        ctx.flush();

    }



    @Override

    public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String request) throws Exception {

        // Generate and write a response.

        String response;

        boolean close = false;

        if (request.isEmpty()) {

            response = "Please type something.\\r\\n";

        } else if ("bye".equals(request.toLowerCase())) {

            response = "Have a good day!\\r\\n";

            close = true;

        } else {

            response = "Did you say '" + request + "'?\\r\\n";

        }



        // We do not need to write a ChannelBuffer here.

        // We know the encoder inserted at TelnetPipelineFactory will do the conversion.

        ChannelFuture future = ctx.write(response);



        // Close the connection after sending 'Have a good day!'

        // if the client has sent 'bye'.

        if (close) {

            future.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);

        }

    }



    @Override

    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) {

        ctx.flush();

    }



    @Override

    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {

        cause.printStackTrace();

        ctx.close();

    }

}

TelnetServerInitializer

package telnet;



import io.netty.channel.ChannelInitializer;

import io.netty.channel.ChannelPipeline;

import io.netty.channel.socket.SocketChannel;

import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;

import io.netty.handler.codec.Delimiters;

import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

import io.netty.handler.ssl.SslContext;



/**

 * Creates a newly configured {@link ChannelPipeline} for a new channel.

 */

public class TelnetServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {



    private static final StringDecoder DECODER = new StringDecoder();

    private static final StringEncoder ENCODER = new StringEncoder();



    private static final TelnetServerHandler SERVER_HANDLER = new TelnetServerHandler();



    private final SslContext sslCtx;



    public TelnetServerInitializer(SslContext sslCtx) {

        this.sslCtx = sslCtx;

    }



    @Override

    public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();



        if (sslCtx != null) {

            pipeline.addLast(sslCtx.newHandler(ch.alloc()));

        }



        // Add the text line codec combination first,

        pipeline.addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(8192, Delimiters.lineDelimiter()));

        // the encoder and decoder are static as these are sharable

        pipeline.addLast(DECODER);

        pipeline.addLast(ENCODER);



        // and then business logic.

        pipeline.addLast(SERVER_HANDLER);

    }

}

2  启动后的系统调用

主线程(23109)

## 256无实际作用，这里只为了兼容旧版kernel api
epoll_create(256)                       = 7epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=5477705356928876549}}) = 0


epoll_create(256)                       = 10epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN, {u32=8, u64=17041805914081853448}}) = 0


epoll_create(256)                       = 13
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 11, {EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}) = 0


epoll_create(256)                       = 16
epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 14, {EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}) = 0


epoll_create(256)                       = 19
epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 17, {EPOLLIN, {u32=17, u64=17042561450368827409}}) = 0


epoll_create(256)                       = 10
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 20
clone(child_stack=0x7fc3c509afb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c509b9d0, tls=0x7fc3c509b700, child_tidptr=0x7fc3c509b9d0) = 23130

概括为：

• 向OS新建socket，并开启clone boss线程23130。

• 为BOSS创建了一个epoll（论证参见下面“boss”），每个worker创建一个epoll数据结构（本质上是在kernel内存区创建了一个数据结构，用于后续监听）。

• 创建boss线程监听的socket（本质上在kernel中创建一个数据结构）。

boss（23130）

bind(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, 16) = 0
listen(20, 128)                         = 0
getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0
getsockname(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("0.0.0.0")}, [16]) = 0 


##将fd为7号epoll和fd为20号的socket绑定，事件：epoll_ctl_add和epoll_ctl_mod
epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=14198059139132817428}}) = 0
epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_MOD, 20, {EPOLLIN, {u32=20, u64=20}}) = 0
epoll_wait(7, [{EPOLLIN, {u32=5, u64=17295150779149058053}}], 8192, 1000) = 1
epoll_wait(7, [], 8192, 1000)           = 0(不断轮训，1S超时一次)

概括为：

• 将上一步中main线程创建的fd：20绑定端口8023，并开启监听（网卡负责监听和接受连接和数据，kernel则负责路由到具体进程，具体参见：关于socket和bind和listen，TODO ）。

• 将7号socket对应的fd绑定到20号对应的epoll数据结构上去（都是操作kernel中的内存）。

• 开始1S中一次阻塞等待epoll有任何连接或数据到达。

3  客户端连接

boss (23130)

accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(11144), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24
getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0
getsockname(24, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(8023), sin_addr=inet_addr("192.168.0.120")}, [16]) = 0
setsockopt(24, SOL_TCP, TCP_NODELAY, [1], 4) = 0
getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0
getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, [87040], [4]) = 0
##抛出 work线程
clone(child_stack=0x7fc3c4c98fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7fc3c4c999d0, tls=0x7fc3c4c99700, child_tidptr=0x7fc3c4c999d0) = 2301

worker (2301)

writev(24, [{"Welcome to iZbp14e1g9ztpshfrla9m"..., 37}, {"It is Sun Aug 23 15:44:14 CST 20"..., 41}], 2) = 78
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=14180008216221450264}}) = 0
epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1 
read(11, "\\1", 128)                     = 1
##开始无限loop
epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0
epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}], 8192, 1000) = 1

概括：

• 当BOSS轮训epoll_wait等到了连接后，首先accept得到该socket对应的fd。

• 连接建立后 BOSS立马抛出一个线程（clone函数）。

• worker（即新建的线程）写入了一段数据（这里是业务逻辑）。

• worker将该client对应的fd绑定到了13号epoll上。

• worker继续轮训监听13号epoll。

4  客户端主动发送数据

worker（2301）

read(24, "i am daojian\\r\\n", 1024)      = 14
write(24, "Did you say 'i am daojian'?\\r\\n", 29) = 29
##继续无限loop
epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

概括为：

• wait到数据后，立即read到用户控件内存中（读取1024个字节到 用户控件某个buff中）。

• 写入数据（业务逻辑，不必太关注）。

• 继续轮训等待13号epoll。

5  客户端发送bye报文，服务器断开TCP连接

worker（2301）

read(24, "bye\\r\\n", 1024)               = 5
write(24, "Have a good day!\\r\\n", 18)   = 18
getsockopt(24, SOL_SOCKET, SO_LINGER, {onoff=0, linger=0}, [8]) = 0
dup2(25, 24)                            = 24
##从epoll数据结构中（OS）中删除fd为24的socket
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_DEL, 24, 0x7f702dd531e0) = -1 ENOENT
##关闭24 socket
close(24)                               = 0
##继续等待13 epoll数据
epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

断开客户端连接概括为：

• 从epoll中删除该客户端对应的fd（这里触发源头没找到，可能是boss）。

• close关闭客户端24号fd。

• 继续轮训epoll。

6  五个客户端同时连接

boss线程（23130）

accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(1846), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 24
clone(child_stack=0x7f702cc51fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cc529d0, tls=0x7f702cc52700, child_tidptr=0x7f702cc529d0) = 10035


accept(20, {sa_family=AF_INET, sin_port=htons(42067), sin_addr=inet_addr("42.120.74.122")}, [16]) = 26
clone(child_stack=0x7f702cb50fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f702cb519d0, tls=0x7f702cb51700, child_tidptr=0x7f702cb519d0) = 10067


...

woker线程（10035，第一个连接）

epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=24}}) = 0
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 24, {EPOLLIN, {u32=24, u64=3226004877247250456}}) = 0
epoll_wait(13, [{EPOLLIN, {u32=11, u64=17042151607409573899}}], 8192, 1000) = 1                  = 1
epoll_wait(13, [], 8192, 1000)          = 0

worker线程（10067，第二个连接）

epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_ADD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=26}}) = 0
epoll_ctl(16, EPOLL_CTL_MOD, 26, {EPOLLIN, {u32=26, u64=3221483685433835546}}) = 0
epoll_wait(16, [{EPOLLIN, {u32=14, u64=17042497300737294350}}], 8192, 1000) = 1
epoll_wait(16, [], 8192, 1000)          = 0
epoll_wait(16, [], 8192, 1000)          = 0

worker线程（10067，第二个连接）

epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_ADD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=27}}) = 0
epoll_ctl(19, EPOLL_CTL_MOD, 27, {EPOLLIN, {u32=27, u64=3216966479350071323}}) = 0

worker线程(8055，第四个连接)

epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_ADD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=28}}) = 0
epoll_ctl(10, EPOLL_CTL_MOD, 28, {EPOLLIN, {u32=28, u64=3302604828697427996}}) = 0

worker线程（10035，第五个连接，不在clone线程，而是复用了第一个epoll对应的worker）

epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_ADD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0
epoll_ctl(13, EPOLL_CTL_MOD, 29, {EPOLLIN, {u32=29, u64=29}}) = 0

概括为：

• epoll和boss、worker之间的关系：一共有4个worker对应着4个epoll对象，boss和每个worker都有对应自己的epoll。

• boss根据epoll数量，平衡分配连接到每个worker对应的epoll中。

7  总结

下图通过对系统调用的调查得出 netty 和 kernel 交互图：

初始化直接创建5个epoll，其中7号为boss使用，专门用于处理和客户端连接；其余4个用来给worker使用，用户处理和客户端的数据交互。

work的线程数量，取决于初始化时创建了几个epoll，worker的复用本质上是epoll的复用。

work之间为什么要独立使用epoll？为什么不共享？

• 为了避免各个worker之间发生争抢连接处理，netty直接做了物理隔离，避免竞争。各个worker只负责处理自己管理的连接，并且后续该worker中的每个client的读写操作完全由 该线程单独处理，天然避免了资源竞争，避免了锁。

• worker单线程，性能考虑：worker不仅仅要epoll_wait，还是处理read、write逻辑，加入worker处理了过多的连接，势必造成这部分消耗时间片过多，来不及处理更多连接，性能下降。

8  优缺点

优点

• 数据处理：netty提供了大量成熟的数据处理组件（ENCODER、DECODER），HTTP、POP3拿来即用。

• 编码复杂度、可维护性：netty充分使得业务逻辑与网络处理解耦，只需要少量的BootStrap配置即可，更多的集中在业务逻辑处理上。

• 性能： netty提供了的ByteBuf(底层Java原生的ByteBuffer)，提供了池化的ByteBuf，兼顾读取性能和ByteBuf内存分配（在后续文档中会再做详解）。

缺点

• 入门有一定难度。

五  AIO

1  启动

main线程

epoll_create(256)                       = 5
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 6, {EPOLLIN, {u32=6, u64=11590018039084482566}}) = 0


##创建BOSS 线程(Proactor)
clone(child_stack=0x7f340ac06fb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7f340ac079d0, tls=0x7f340ac07700, child_tidptr=0x7f340ac079d0) = 22704


socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 8
setsockopt(8, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0
setsockopt(8, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
bind(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9090), inet_pton(AF_INET6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, 28) = 0
listen(8, 50)


accept(8, 0x7f67d01b3120, 0x7f67d9246690) = -1
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = -1 ENOENT (No such file or directory)
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=15380749440025362440}}) = 0
read(0,

22704(BOSS 线程(Proactor))

epoll_wait(5,  <unfinished ...>

2  请求连接

22704(BOSS 线程(Proactor))处理连接

epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1
accept(8, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(55320), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:36.24.32.140", &sin6_addr), sin6_flowinfo=0, sin6_scope_id=0}, [28]) = 9
clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26241
epoll_wait(5,  <unfinished ...>

26241

#将client 连接的FD加入到BOSS的epoll中，以便BOSS线程监听网络事件
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = -1 ENOENT (No such file or directory)
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_ADD, 9, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=9, u64=4398046511113}}) = 0
accept(8, 0x7ff3440008c0, 0x7ff35c99f4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 0

3  客户端发送数据

22704(BOSS 线程(Proactor))处理连接

epoll_wait(5,[{EPOLLIN, {u32=9, u64=4294967305}}], 512, -1) = 1
##数据读出
read(9, "daojian111\\r\\n", 1024)         = 12
##数据处理交给其他线程，这里由于线程池为空，需要先clone线程
clone(child_stack=0x7ff35c99ffb0, flags=CLONE_VM|CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND|CLONE_THREAD|CLONE_SYSVSEM|CLONE_SETTLS|CLONE_PARENT_SETTID|CLONE_CHILD_CLEARTID, parent_tidptr=0x7ff35c9a09d0, tls=0x7ff35c9a0700, child_tidptr=0x7ff35c9a09d0) = 26532

复制线程处理，线程号26532

write(1, "pool-1-thread-2-10received : dao"..., 41) = 41
write(1, "\\n", 1)
accept(8, 0x7f11c400b5f0, 0x7f11f42fd4d0) = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
epoll_ctl(5, EPOLL_CTL_MOD, 8, {EPOLLIN|EPOLLONESHOT, {u32=8, u64=8}}) = 0

4  总结

• 从系统调用角度，Java的AIO事实上是以多路复用（Linux上为epoll）等同步IO为基础，自行实现了异步事件分发。

• BOSS Thread负责处理连接，并分发事件。

• WORKER Thread只负责从BOSS接收的事件执行，不负责任何网络事件监听。

5  优缺点

优点

相比于前面的BIO、NIO，AIO已经封装好了任务调度，使用时只需关心任务处理。

缺点

• 事件处理完全由Thread Pool完成，对于同一个channel的多个事件可能会出现并发问题。

• 相比netty，buffer API不友好容易出错；编解码工作复杂。