Java IO学习笔记六：NIO到多路复用
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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Java IO学习笔记六：NIO到多路复用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
作者：Grey
虽然NIO性能上比BIO要好，参考：Java IO学习笔记五：BIO到NIO
但是NIO也有问题，NIO服务端的示例代码中往往会包括如下代码：即：遍历所有的SocketChannel，获取能读写数据的客户端，当客户端数量非常多的时候，服务端要轮询所有连接的客户端拿数据（recv调用），很多调用是无意义的，这样会导致频繁的用户态切换成内核态，导致性能变差。
....
//遍历已经链接进来的客户端能不能读写数据
for (SocketChannel c : clients) {
int num = c.read(buffer);
if (num > 0) {
buffer.flip();
byte[] aaa = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(aaa);
String b = new String(aaa);
System.out.println(c.socket().getPort() + " : " + b);
buffer.clear();
}
}
...
多路复用技术可以解决NIO的这个问题，多个IO通过一个系统调用获得其中的IO状态，然后由程序对有状态的IO进行读写操作。在Linux系统中，多路复用的实现有：
- 基于POSIX标准的SELECT
- POLL (select只支持最大fd < 1024，如果单个进程的文件句柄数超过1024，select就不能用了。poll在接口上无限制)
- EPOLL
其中SELECT和POLL类似，但是有一些区别，参考select和poll的区别
无论NIO，SELECT还是POLL，都是要遍历所有IO，询问状态,只不过遍历这件事到底是内核来做还是应用程序来做而已。
而epoll，可以看成是SELECT和POLL的增强，在调用select/poll时候，都需要把fd集合从用户态拷贝到内核态，但是epoll调用epoll_ctl时拷贝进内核并保存，之后每次epoll_wait不做拷贝，而且epoll采用的是事件通知方式，每当fd就绪，系统注册的回调函数就会被调用，将就绪fd放到rdllist里面。时间复杂度O(1)。
更多内容可以参考：
Java的Selector封装了底层epoll和poll的API，可以通过指定如下参数来调用执行的内核调用, 在Linux平台，如果指定
-Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.PollSelectorProvider
则底层调用poll，
指定为：
-Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.EPollSelectorProvider
或者不指定，则底层调用epoll
源码参考:jdk8u-jdk
接下来，我们使用一套服务端代码，在Linux服务器上运行，分别指定底层用epoll和poll，并用strace来追踪其内核调用。
准备服务端代码：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;
public class SocketMultiplexingV1 {
private Selector selector = null;
int port = 9090;
public void initServer() {
try {
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.configureBlocking(false);
server.bind(new InetSocketAddress(port));
selector = Selector.open();
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void start() {
initServer();
System.out.println("服务器启动了。。。。。");
try {
while (true) {
Set<SelectionKey> keys = selector.keys();
System.out.println(keys.size() + " size");
while (selector.select() > 0) {
//返回的有状态的fd集合
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if (key.isAcceptable()) {
acceptHandler(key);
} else if (key.isReadable()) {
readHandler(key);
}
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void acceptHandler(SelectionKey key) {
try {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel client = ssc.accept();
client.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8192);
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
System.out.println("-------------------------------------------");
System.out.println("新客户端：" + client.getRemoteAddress());
System.out.println("-------------------------------------------");
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void readHandler(SelectionKey key) {
SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
buffer.clear();
int read;
try {
while (true) {
read = client.read(buffer);
if (read > 0) {
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
client.write(buffer);
}
buffer.clear();
} else if (read == 0) {
break;
} else {
client.close();
break;
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
SocketMultiplexingV1 service = new SocketMultiplexingV1();
service.start();
}
}
和服务端代码在同一目录下准备一个脚本 SocketMultiplexingV1.sh
rm -rf ${1}*
/usr/local/jdk/bin/javac SocketMultiplexingV1.java
strace -ff -o $1 /usr/local/jdk/bin/java -Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.${1}SelectorProvider SocketMultiplexingV1
执行：
./SocketMultiplexingV1 Poll
底层调用Poll
重新打开一个控制台，通过nc工具连接这个服务端
nc localhost 9090
服务端可以正常接收到连接
[root@io io]# ./SocketMultiplexingV1.sh Poll
服务器启动了。。。。。
1 size
-------------------------------------------
新客户端：/0:0:0:0:0:0:0:1:39724
-------------------------------------------
暂时先不要发送数据，此时，查看服务端的进程：
[root@io io]# jps
1712 Jps
1659 SocketMultiplexingV1
查看服务端目前关联的文件描述符
[root@io io]# lsof -p 1659
...
java 1659 root 4u IPv6 25831 0t0 TCP *:websm (LISTEN)
...
java 1659 root 7u IPv6 22508 0t0 TCP localhost:websm->localhost:39724 (ESTABLISHED)
其中4u为服务端监听的Socket文件描述符，7u为新连接进来的客户端Socket文件描述符。
通过nc客户端给服务端发送一些数据,客户端也可以正常收到服务端返回的数据
[root@io io]# nc localhost 9090
sdfasdfasd
sdfasdfasd
接下来停掉服务端和客户端, 查看追踪日志
[root@io io]# ll
total 2444
-rwxr-xr-x. 1 root root 106 Jun 10 19:25 mysh.sh
-rw-r--r--. 1 root root 1714 Jun 12 16:35 OSFileIO.java
-rw-r--r--. 1 root root 9572 Jun 17 19:58 Poll.1659
-rw-r--r--. 1 root root 215792 Jun 17 19:58 Poll.1660
-rw-r--r--. 1 root root 1076 Jun 17 19:58 Poll.1661
-rw-r--r--. 1 root root 983 Jun 17 19:58 Poll.1662
-rw-r--r--. 1 root root 850 Jun 17 19:58 Poll.1663
-rw-r--r--. 1 root root 940 Jun 17 19:58 Poll.1664
-rw-r--r--. 1 root root 948 Jun 17 19:58 Poll.1665
-rw-r--r--. 1 root root 885 Jun 17 19:58 Poll.1666
-rw-r--r--. 1 root root 948 Jun 17 19:58 Poll.1667
-rw-r--r--. 1 root root 1080 Jun 17 19:58 Poll.1668
-rw-r--r--. 1 root root 124751 Jun 17 19:58 Poll.1669
-rw-r--r--. 1 root root 1245 Jun 17 19:58 Poll.1670
-rw-r--r--. 1 root root 1210 Jun 17 19:58 Poll.1671
-rw-r--r--. 1 root root 2416 Jun 17 19:58 Poll.1672
-rw-r--r--. 1 root root 27498 Jun 17 19:58 Poll.1673
-rw-r--r--. 1 root root 27326 Jun 17 19:58 Poll.1674
-rw-r--r--. 1 root root 27602 Jun 17 19:58 Poll.1675
-rw-r--r--. 1 root root 26866 Jun 17 19:58 Poll.1676
-rw-r--r--. 1 root root 1141 Jun 17 19:58 Poll.1677
-rw-r--r--. 1 root root 1953818 Jun 17 19:58 Poll.1678
-rw-r--r--. 1 root root 2204 Jun 17 19:58 Poll.1831
-rw-r--r--. 1 root root 3440 Jun 17 19:48 SocketMultiplexingV1.class
-rw-r--r--. 1 root root 3315 Jun 17 19:13 SocketMultiplexingV1.java
-rwxr-xr-x. 1 root root 199 Jun 17 19:19 SocketMultiplexingV1.sh
其中Poll.1678为主线程日志, 我们一一看下整个调用过程
...
2535 socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
...
2793 bind(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9090), inet_pton(AF_INE T6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, 28) = 0
2794 listen(4, 50) = 0
...
以上两个调用对应了代码中建立Socket并绑定9090端口进行监听这个逻辑。
...
2772 fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0
...
2883 poll([{fd=5, events=POLLIN}, {fd=4, events=POLLIN}], 2, -1) = 1 ([{f d=4, revents=POLLIN}])
以上调用对应了：
server.configureBlocking(false);
调用的poll方法表示一个新的文件描述符4u有POLLIN（POLLIN：There is data to read）的事件
...
2893 accept(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(39724), inet_pton(AF_ INET6, "::1", &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, [28]) = 7
...
2935 poll([{fd=5, events=POLLIN}, {fd=4, events=POLLIN}, {fd=7, events=PO LLIN}], 3, -1) = 1 ([{fd=7, revents=POLLIN}])
这里说明接收了一个新的Socket连接，就是我们刚才用lsof看到的7u这个文件描述符。，调用了poll方法，说明一个新的文件描述符7u有POLLIN（POLLIN：There is data to read）的事件。
我们的代码中对于每次接收的客户端，也会把客户端设置为非阻塞，即：
client.configureBlocking(false);
对应的内核调用就是：
2926 fcntl(7, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0
以上就是poll调用对应内核函数的调用。
接下来切换成epoll模式，重新执行脚本
[root@io io]# ./SocketMultiplexingV1.sh EPoll
服务器启动了。。。。。
1 size
用nc连接服务端
nc localhost 9090
服务端响应正常
[root@io io]# ./SocketMultiplexingV1.sh EPoll
服务器启动了。。。。。
1 size
-------------------------------------------
新客户端：/0:0:0:0:0:0:0:1:39726
-------------------------------------------
通过nc发送一些数据
[root@io io]# nc localhost 9090
asdfasd
asdfasd
也可以正常接收
接下来停掉服务端和客户端，查看主线程调用情况
[root@io io]# ll -h EPoll.*
-rw-r--r--. 1 root root 9.4K Jun 17 20:33 EPoll.2067
-rw-r--r--. 1 root root 212K Jun 17 20:33 EPoll.2068
-rw-r--r--. 1 root root 1.1K Jun 17 20:33 EPoll.2069
-rw-r--r--. 1 root root 983 Jun 17 20:33 EPoll.2070
-rw-r--r--. 1 root root 850 Jun 17 20:33 EPoll.2071
-rw-r--r--. 1 root root 983 Jun 17 20:33 EPoll.2072
-rw-r--r--. 1 root root 948 Jun 17 20:33 EPoll.2073
-rw-r--r--. 1 root root 983 Jun 17 20:33 EPoll.2074
-rw-r--r--. 1 root root 850 Jun 17 20:33 EPoll.2075
-rw-r--r--. 1 root root 1.1K Jun 17 20:33 EPoll.2076
-rw-r--r--. 1 root root 31K Jun 17 20:33 EPoll.2077
-rw-r--r--. 1 root root 1.4K Jun 17 20:33 EPoll.2078
-rw-r--r--. 1 root root 1.3K Jun 17 20:33 EPoll.2079
-rw-r--r--. 1 root root 2.4K Jun 17 20:33 EPoll.2080
-rw-r--r--. 1 root root 9.0K Jun 17 20:33 EPoll.2081
-rw-r--r--. 1 root root 8.7K Jun 17 20:33 EPoll.2082
-rw-r--r--. 1 root root 8.6K Jun 17 20:33 EPoll.2083
-rw-r--r--. 1 root root 8.2K Jun 17 20:33 EPoll.2084
-rw-r--r--. 1 root root 1.2K Jun 17 20:33 EPoll.2085
-rw-r--r--. 1 root root 400K Jun 17 20:33 EPoll.2086
-rw-r--r--. 1 root root 2.2K Jun 17 20:33 EPoll.2109
vi EPoll.2068
其中新建Socket，Bind 9090端口，设置非阻塞和Poll都是相同的调用
...
2539 socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
....
2776 fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK) = 0
....
2797 bind(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(9090), inet_pton(AF_INE T6, "::", &sin6_addr), sin6_flowinfo=htonl(0), sin6_scope_id=0}, 28) = 0
2798 listen(4, 50) = 0
....
但是一旦有新的连接进来
···
2852 epoll_create(256) = 7
···
2862 epoll_ctl(7, EPOLL_CTL_ADD, 5, {EPOLLIN, {u32=5, u64=140462610448389 }}) = 0
···
2888 epoll_wait(7, [{EPOLLIN, {u32=4, u64=140462610448388}}], 4096, -1) = 1
···
epoll_create1: 创建一个epoll实例，文件描述符
epoll_ctl: 将监听的文件描述符添加到epoll实例中，实例代码为将标准输入文件描述符添加到epoll中
epoll_wait: 等待epoll事件从epoll实例中发生， 并返回事件以及对应文件描述符
调用epoll_create时，内核除了帮我们在epoll文件系统里建了个file结点，在内核cache里建了个 红黑树 用于存储以后epoll_ctl传来的socket外，还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件.
当epoll_wait调用时，仅仅观察这个list链表里有没有数据即可。有数据就返回，没有数据就sleep，等到timeout时间到后即使链表没数据也返回。所以，epoll_wait非常高效。
源码：Github
参考资料：
以上是关于Java IO学习笔记六：NIO到多路复用的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
Java -- 每日一问：Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？
Java网络编程和NIO详解2：JAVA NIO一步步构建IO多路复用的请求模型