non-blocking io 非阻塞 IO
一、三大组件
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
数据传输流，与channel相关的概念有以下四个，上一张图让你了解netty里面的Channel。 
- Channel：表示一个连接，可以理解为每一个请求，就是一个Channel。
- ChannelHandler：核心处理业务就在这里，用于处理业务请求。
- ChannelHandlerContext：用于传输业务数据。
- ChannelPipeline：用于保存处理过程需要用到的ChannelHandler和ChannelHandlerContext。
常见的 Channel 有：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
ByteBuf
ByteBuf是一个存储字节的容器，最大特点就是使用方便，它既有自己的读索引和写索引，方便你对整段字节缓存进行读写，也支持get/set，方便你对其中每一个字节进行读写，他的数据结构如下图所示：
他有三种使用模式：
- Heap Buffer 堆缓冲区
堆缓冲区是ByteBuf最常用的模式，他将数据存储在堆空间。 - Direct Buffer 直接缓冲区
直接缓冲区是ByteBuf的另外一种常用模式，他的内存分配都不发生在堆，jdk1.4引入的nio的ByteBuffer类允许jvm通过本地方法调用分配内存，这样做有两个好处- 通过免去中间交换的内存拷贝, 提升IO处理速度; 直接缓冲区的内容可以驻留在垃圾回收扫描的堆区以外。
- DirectBuffer 在 -XX:MaxDirectMemorySize=xxM大小限制下, 使用 Heap 之外的内存, GC对此”无能为力”,也就意味着规避了在高负载下频繁的GC过程对应用线程的中断影响.
- Composite Buffer 复合缓冲区
复合缓冲区相当于多个不同ByteBuf的视图，这是netty提供的，jdk不提供这样的功能。
除此之外，他还提供一大堆api方便你使用，在这里我就不一一列出了，具体参见ByteBuf字节缓存。
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
1. 多线程版设计
⚠️ 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
2. 线程池版设计
⚠️ 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
3. 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）
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
二、ByteBuffer
1. 基本使用
新建Maven项目
pom.xml
<dependencies><dependency><groupId>io.netty</groupId><artifactId>netty-all</artifactId><version>4.1.39.Final</version></dependency><dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><version>1.16.18</version></dependency><dependency><groupId>com.google.code.gson</groupId><artifactId>gson</artifactId><version>2.8.5</version></dependency><dependency><groupId>com.google.guava</groupId><artifactId>guava</artifactId><version>19.0</version></dependency><dependency><groupId>ch.qos.logback</groupId><artifactId>logback-classic</artifactId><version>1.2.3</version></dependency><dependency><groupId>com.google.protobuf</groupId><artifactId>protobuf-java</artifactId><version>3.11.3</version></dependency><dependency><groupId>junit</groupId><artifactId>junit</artifactId><version>4.11</version><scope>test</scope></dependency></dependencies>
有一普通文本文件 data.txt，内容为
1234567890abcd
使用 FileChannel 来读取文件内容
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
@Slf4j
public class TestByteBuffer {
public static void main(String[] args) {
// FileChannel
// 1. 输入输出流， 2. RandomAccessFile
try (FileChannel channel = new FileInputStream("nio.txt").getChannel()) {
// 准备缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
while(true) {
// 从 channel 读取数据，向 buffer 写入
int len = channel.read(buffer);
log.debug("读取到的字节数 {}", len);
if(len == -1) { // 没有内容了
break;
}
// 打印 buffer 的内容
buffer.flip(); // 切换至读模式
while(buffer.hasRemaining()) { // 是否还有剩余未读数据
byte b = buffer.get();
log.debug("实际字节 {}", (char) b);
}
buffer.clear(); // 切换为写模式
}
} 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. 正确使用方式
- 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)
- 调用 flip() 切换至读模式
- 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()
- 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
- 重复 1~4 步骤
3. ByteBuffer结构
ByteBuffer 有以下重要属性
- capacity
- position
- limit
初始化
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动作发生后的状态
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
import io.netty.util.internal.StringUtil;
import java.nio.ByteBuffer;
import static io.netty.util.internal.MathUtil.isOutOfBounds;
import static io.netty.util.internal.StringUtil.NEWLINE;
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 paddings
for (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 conversion
for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
}
// Generate the lookup table for byte dump paddings
for (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 conversion
for (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);
}
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
buffer.put(new byte[]{97, 98, 99, 100});
debugAll(buffer);
}
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 dump
int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append(" |");
// ASCII dump
for (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 dump
int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
}
dump.append(HEXPADDING[remainder]);
dump.append(" |");
// Ascii dump
for (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);
}
}
测试使用
@Test
public void test02(){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(10);
byteBuffer.put("a".getBytes());
//debugAll(byteBuffer);
byteBuffer.put("bcd".getBytes());
//debugAll(byteBuffer);
System.out.println(byteBuffer.get());
debugAll(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
System.out.println(byteBuffer.get());
debugAll(byteBuffer);
byteBuffer.compact();
debugAll(byteBuffer);
}
打印结果
0
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [10]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00 |abcd...... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
97
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [1], limit: [5]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 64 00 00 00 00 00 00 |abcd...... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [4], limit: [10]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 62 63 64 00 00 00 00 00 00 00 |bcd....... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
4. ByteBuffer常用方法
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); | 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); | 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，对position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
@Test
public void byteBufferTranString(){
//1. 字符串转ByteBuffer
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(10);
buffer1.put("abc".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
debugAll(buffer1);
//2. StandardCharset
ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("abc");
debugAll(buffer2);
//3. wrap
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("abc".getBytes());
debugAll(buffer3);
buffer1.flip(); //未将ByteBuffer变为写模式读取不到数据
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1));
//StandardCharset和wrap的方式已经讲ByteBuffer变为了写模式
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2));
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer3));
}
输出
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [3], limit: [10]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 00 00 00 00 00 00 00 |abc....... |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 |abc |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 |abc |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
abc
abc
abc
Buffer 的线程安全
Buffer 是非线程安全的
5. HeapByteBuffer 与 DirectByteBuffer的区别
ByteBuffer.allocate() 获取
@Test
public void test03() {
System.out.println(ByteBuffer.allocate(1).getClass()); //class java.nio.HeapByteBuffer
System.out.println(ByteBuffer.allocateDirect(1).getClass()); //class java.nio.DirectByteBuffer
}
- HeapByteBuffer：java堆内存，效率较低，受到GC垃圾回收机制的影响
- DirectByteBuffer：直接使用系统内存，读写效率高（少一次拷贝），不会受到GC垃圾回收机制的影响，分配效率较低
6. 分散读与集中写
Scattering Reads
分散读取，有一个文本文件
words.txt
thisismyhouse
使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer
@Test
public void ScatteringReads(){
try (FileChannel channel = new RandomAccessFile("src/main/resources/words.txt", "rw").getChannel()) {
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4);
ByteBuffer buffer2 = ByteBuffer.allocate(2);
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.allocate(2);
ByteBuffer buffer4 = ByteBuffer.allocate(5);
channel.read(new ByteBuffer[]{buffer1, buffer2, buffer3, buffer4});
buffer1.flip();
buffer2.flip();
buffer3.flip();
buffer4.flip();
debugAll(buffer1);
debugAll(buffer2);
debugAll(buffer3);
debugAll(buffer4);
} catch (IOException e) {
}
}
结果
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [4]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 74 68 69 73 |this |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [2]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 69 73 |is |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [2]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 6d 79 |my |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 6f 75 73 65 |house |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
Gathering Writes
使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel
@Test
public void GatheringWrites(){
try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("src/main/resources/writeWords.txt", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel()) {
ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("sometimes ever ");
ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("sometimes never");
ByteBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("相聚有时后会无期");
channel.write(new ByteBuffer[]{buffer1, buffer2, buffer3});
} catch (IOException e) {
}
}
文件内容
sometimes ever sometimes never相聚有时后会无期
7. 处理黏包半包情况
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
@Test
public void exercise(){
ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
// 11 24
source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
split(source);
source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());
split(source);
}
private void split(ByteBuffer source){
source.flip();
for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
//遇到分隔符则开始处理前面的内容
if (source.get(i) == '\n'){
//记录该段句子长度
int length = i + 1 - source.position();
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
for (int j = 0; j < length; j++) {
target.put(source.get());
}
debugAll(target);
}
}
//切换为读模式，接下来继续读取
source.compact();
}
打印结果
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 0a |Hello,world. |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 27 6d 20 7a 68 61 6e 67 73 61 6e 0a |I'm zhangsan. |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 6f 77 20 61 72 65 20 79 6f 75 3f 0a |How are you?. |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [6]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 61 68 61 21 0a |haha!. |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
三、文件编程
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
ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put(...); // 存入数据
buffer.flip(); // 切换读模式
//由于Channel具有大小限制(例如 SocketChannel)，可能无法一次性写入ByteBuffer中的数据
//保险起见使用循环对数据写入
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
2. 两个Channel传输数据
@Test
public void transferTo() {
String FROM = "src/main/resources/transAAA.txt";
String TO = "src/main/resources/transBBB.txt";
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
) {
//效率高，底层会调用操作系统的零拷贝进行优化
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
模拟超过2G的数据传输
transferTo具有大小限制，无法通过一次就将大型数据传输完毕
/**
* @param
* @return void
* @description 模拟使用ByteBuffer拷贝2G的文件
*/
@Test
public void transferTo2G() {
String FROM = "src/main/resources/transAAA.txt";
String TO = "src/main/resources/transBBB.txt";
long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel();
FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel();
) {
//transferTo具有大小限制，无法通过一次就将大型数据传输完毕
long size = from.size();
long remaining = from.size(); //记录剩余的文件大小
while (remaining > 0) {
log.debug("position=" + (size - remaining) + " remaining=" + remaining);
//transferTo()方法返回值为实际传输的字节数
remaining -= from.transferTo(size - remaining, size, to);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("transferTo 用时：" + (end - start) / 1000_000.0);
}
实际传输一个大型文件
position:0 left:7769948160
position:2147483647 left:5622464513
position:4294967294 left:3474980866
position:6442450941 left:1327497219
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
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
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>(){
//访问文件夹前调用
@Override
public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println(dir);
dirCount.incrementAndGet();
return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
}
//访问文件时调用
@Override
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println(file);
fileCount.incrementAndGet();
return super.visitFile(file, attrs);
}
});
System.out.println(dirCount); // 133
System.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>(){
@Override
public 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>(){
@Override
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
Files.delete(file);
return super.visitFile(file, attrs);
}
@Override
public 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);
四、网络编程
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null
if (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 0
if (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）
2. Selector
1. 介绍
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
2. 如何使用
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
3. 处理Accept事件
服务端
@Slf4j
public class SelectorServer {
public static void main(String[] args) {
try (
//开启服务端数据通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
) {
//设置端口
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
//设置为非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);
//创建Selector
Selector selector = Selector.open();
//channel与selector建立联系，监听的是ACCEPT事件
SelectionKey selectionKey = serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
//selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
//select()：没有事件发生则阻塞线程，发生事件后线程恢复运行
selector.select();
//处理事件，selectionKeys中包含了所有需要处理事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iterator.next();
log.debug("SelectionKey={}", selKey);
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) selKey.channel();
SocketChannel socketChannel = channel.accept();
log.debug("socketChannel={}", socketChannel);
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
客户端
@Slf4j
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
log.debug("client-connection");
}
}
打印结果
尝试进行两次连接
事件发生后不处理
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
selectionKey.cancel();
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
4. 处理Read事件
1. 使用案例
服务端
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import static com.gmf.netty.utils.ByteBufferUtil.debugAll;
@Slf4j
public class SelectotReadServer {
public static void main(String[] args) {
try (
//开启服务端数据通道
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
) {
//设置端口
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
//设置为非阻塞模式
serverChannel.configureBlocking(false);
//创建Selector
Selector selector = Selector.open();
//channel与selector建立联系，监听的是ACCEPT事件
SelectionKey selectionKey = serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
//selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
//select()：没有事件发生则阻塞线程，发生事件后线程恢复运行
//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();
//处理事件，selectionKeys中包含了所有需要处理事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iterator.next();
log.debug("SelectionKey={}", selKey);
//判断事件类型
if (selKey.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selKey.channel();
//处理事件（要么将事件处理，要么取消事件处理）
//selKey.cancel();
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
log.debug("socketChannel={}", socketChannel);
socketChannel.configureBlocking(false);
SelectionKey sk = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
log.debug("读取事件连接已建立 SelectionKey={}", sk);
}else if (selKey.isReadable()){
SocketChannel channel = (SocketChannel) selKey.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
int read = channel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
}
//selectionKey处理完事件后必须将其删除
iterator.remove();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
客户端
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
/**
* @author GMF
*/
@Slf4j
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("abc"));
log.debug("client-connection");
}
}
打印
16:07:57 [DEBUG] [main] c.g.n.n.SelectotReadServer - SelectionKey=sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@6bdf28bb
16:07:57 [DEBUG] [main] c.g.n.n.SelectotReadServer - socketChannel=java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:13322]
16:07:57 [DEBUG] [main] c.g.n.n.SelectotReadServer - 读取事件连接已建立 SelectionKey=sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@1e643faf
16:07:57 [DEBUG] [main] c.g.n.n.SelectotReadServer - SelectionKey=sun.nio.ch.SelectionKeyImpl@1e643faf
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [3]
+-------------------------------------------------+
| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 61 62 63 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 |abc.............|
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
2. 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
3. 处理客户端断开连接
- 客户端异常断开连接后会发生一次读取事件，我们需要对该次事件 try…catch… 处理，否则服务器端会因报错停止
- 客户端正常断开连接后会发生一次读取事件，我们需要对该次事件取消处理，否则服务器端会一直处理该事件
正常断开
if (selKey.isReadable()){
SocketChannel channel = (SocketChannel) selKey.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
int read = channel.read(byteBuffer);
//当客户端断开连接后会引发一次读取事件，通过判断返回值是否为-1来取消该事件处理
if (read == -1){
selKey.cancel();
channel.close();
}else {
byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
}
}
异常断开
if (selKey.isReadable()){
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selKey.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
int read = channel.read(byteBuffer);
//当客户端断开连接后会引发一次读取事件，通过判断返回值是否为-1来取消该事件处理
if (read == -1){
selKey.cancel();
channel.close();
}else {
byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
}
} catch (IOException e) {
//如果客户端异常断开，则取消事件处理
e.printStackTrace();
selKey.cancel();
}
}
5. 消息边界问题
1. 问题描述
在客户端发生数据大小不确定的情况下，ByteBuffer的大小很难确定，于是就会出现黏包、半包、内容过大的情况
当客户端发送消息超过buffer容量后，会再次引发一次读取事件，此时就可能产生乱码问题
if (selKey.isReadable()){
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selKey.channel();
//当客户端发送消息超过buffer容量后，会再次引发一次读取事件，此时就可能产生乱码问题
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4);
int read = channel.read(byteBuffer);
//当客户端断开连接后会引发一次读取事件，通过判断返回值是否为-1来取消该事件处理
if (read == -1){
selKey.cancel();
channel.close();
}else {
byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
}
} catch (IOException e) {
//如果客户端异常断开，则取消事件处理
e.printStackTrace();
selKey.cancel();
}
}
@Slf4j
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("你好!"));
socketChannel.close();
}
}
2. 解决思路
- 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
3. 解决过程
本次使用第二种方法解决该问题，需要从下面两个方面考虑
- 需要判断数据是否需要扩容
- ByteBuffer不应为局部变量，需要保存上次未读取到换行符的内容
结合上面服务端代码例子
服务端
...
while (true) {
//select()：没有事件发生则阻塞线程，发生事件后线程恢复运行
//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();
System.out.println("selector.select();");
//处理事件，selectionKeys中包含了所有需要处理事件
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey selKey = iterator.next();
log.debug("SelectionKey={}", selKey);
//判断事件类型
if (selKey.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) selKey.channel();
//处理事件（要么将事件处理，要么取消事件处理）
//selKey.cancel();
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
log.debug("socketChannel={}", socketChannel);
socketChannel.configureBlocking(false);
//selector中注册读取事件，并且携带ByteBuffer作为附件 ===> 关注点
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
SelectionKey sk = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, byteBuffer);
log.debug("读取事件连接已建立 SelectionKey={}", sk);
}else if (selKey.isReadable()){
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) selKey.channel();
//当客户端发送消息超过buffer容量后，会再次引发一次读取事件，此时就可能产生乱码问题
ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) selKey.attachment(); //获取selectionKey中携带的附件
int read = channel.read(byteBuffer);
//当客户端断开连接后会引发一次读取事件，通过判断返回值是否为-1来取消该事件处理
if (read == -1){
selKey.cancel();
channel.close();
}else {
/*byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(byteBuffer));*/
//\n分隔符切割句子打印 ===> 关注点
split(byteBuffer);
//如果position=limit代表byteBuffer容量不够的情况下仍未读取到\n
if (byteBuffer.position() == byteBuffer.limit()){
//对byteBuffer进行扩容
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(byteBuffer.capacity() * 2);
//split方法结尾对byteBuffer进行compact()处理（切换为写模式）
//ByteBuffer put(ByteBuffer src)：该方法需要将参数byteBuffer处于读取模式下
byteBuffer.flip();
buffer.put(byteBuffer);
selKey.attach(buffer);
}
}
} catch (IOException e) {
//如果客户端异常断开，则取消事件处理
e.printStackTrace();
selKey.cancel();
}
}
//selectionKey处理完事件后必须将其删除
iterator.remove();
}
}
...
客户端
@Slf4j
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("12345678910abcdefghijklmn\n"));
socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("12345678"));
socketChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("asfaff\n"));
//正常关闭
//socketChannel.close();
System.in.read();
}
}
4. 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 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
- 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
6. 处理write事件
1. 问题概述
- 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
2. 普通解决方式
服务端
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> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()){
iterator.next();
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
//向客户端发送大量数据
StringBuilder str = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 9000000; i++) {
str.append("a");
}
ByteBuffer byteBuffer = Charset.defaultCharset().encode(str.toString());
int write = 0;
while (byteBuffer.hasRemaining()){
//返回实际写入的字节数
write += socketChannel.write(byteBuffer);
}
System.out.println(write);
iterator.remove();
}
}
}
}
客户端
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
//接收服务端的数据
int write = 0;
while (true){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
write += socketChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.clear();
System.out.println(write);
}
}
}
缺点
在循环中不断的向客户端发送数据，可能会因为网络问题导致发送空包
3. 监听write事件解决
服务端
@Slf4j
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();
System.out.println("selector.select()");
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey selKey = iterator.next();
if (selKey.isAcceptable()) {
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
//向客户端发送大量数据
StringBuilder str = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 70000000; i++) {
str.append("a");
}
//先向客户端写一次数据
ByteBuffer byteBuffer = Charset.defaultCharset().encode(str.toString());
int write = socketChannel.write(byteBuffer);
log.debug("服务端写入字节数：{}", write);
//查看是否还要剩余数据
if (byteBuffer.hasRemaining()) {
log.debug("剩余数据");
//如果还存在剩余数据，则关注selector可写事件
selKey.interestOps(selKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
//selKey.interestOps(selKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
//selectionKey携带上剩余数据
selKey.attach(byteBuffer);
}
}else if (selKey.isWritable()){
ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) selKey.attachment();
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selKey.channel();
int write = socketChannel.write(byteBuffer);
log.debug("服务端写入字节数：{}", write);
//判断是否还有剩余内容
if (!byteBuffer.hasRemaining()){
//如果不存在剩余内容，让GC将byteBuffer回收删除
selKey.attach(null);
//取消关注可写事件
selKey.interestOps(selKey.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);
}
}
iterator.remove();
}
}
}
}
💡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
客户端
使用Selector监听优化
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);
}
}
}
}
}
7. 多线程优化
1. 分析
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
2. Worker编写
@Slf4j
public class MultiThreadServer {
...
static class Worker implements Runnable{
private Thread thread;
private Selector selector;
private String name;
private volatile boolean flag = false; //还未初始化
public Worker(String name){
this.name = name;
}
/**
* 服务端接收到Accept事件调用该方法，为当前客户端通信与派发 Worker 内的 Selector 绑定 READ 事件
* @param sc SocketChannel客户端的通信
* @return void
*/
public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
if (!flag) {
selector = Selector.open();
flag = false;
thread = new Thread(this, name);
thread.start();
}
//唤醒阻塞的selector，不唤醒selector会导致channel绑定失败
log.debug("worker-wakeup");
selector.wakeup();
//将客户端通信绑定至该Worker的Selector中，并监听read事件
log.debug("worker-register");
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null);
}
@Override
public void run() {
while (true){
try {
log.debug("worker-select");
selector.select();
log.debug("worker-read");
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
log.debug("worker-selectionKey");
if (selectionKey.isReadable()){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(16);
SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
channel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
debugAll(byteBuffer);
}
iterator.remove();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
...
}
3. Worker关联Server
@Slf4j
public class MultiThreadServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Thread.currentThread().setName("BOSS");
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);
System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
//创建多个Worker，数量与当前CPU的核心数相同 Runtime.getRuntime().availableProcessors() 获取当前CPU核心数
Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
Worker worker1 = new Worker("worker-1");
Worker worker2 = new Worker("worker-2");
workers[0] = worker1;
workers[1] = worker2;
int index = 0;
while (true){
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()){
SelectionKey selectionKey = iterator.next();
if (selectionKey.isAcceptable()){
SocketChannel socketChannel = ssc.accept();
socketChannel.configureBlocking(false);
log.debug("beforeRegister：{}", socketChannel.getRemoteAddress());
//轮询策略分发worker
workers[index++ % 2].register(socketChannel); //内部执行selector.wakeup();唤醒 worker 中的 selector
log.debug("afterRegister：{}", socketChannel.getRemoteAddress());
}
iterator.remove();
}
}
}
}
客户端信道与派发worker内的selector绑定流程
4. 💡 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
8. 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 |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
五、NIO vs BIO
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
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
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：
- 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 cpuDMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO
- 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
- 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
- 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
- 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
- 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区，cpu 会参与拷贝
- 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）
- 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
- 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区，几乎无消耗
- 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（用户空间和内核空间没有拷贝操作）
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
4. AIO
概述
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("src/main/resources/words.txt"), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
log.debug("begin...");
/*
* @param1 result 实际读到的字节数
* @param2 attachment 附件对象
*/
s.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
/**
* @param result 实际读到的字节数
* @param attachment 附件对象
*/
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
log.debug("read completed result...{}", result);
log.debug("read completed attachment...{}", attachment);
attachment.flip();
debugAll(attachment);
}
@Override
public 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;
}
@Override
public 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();
}
}
@Override
public 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;
}
@Override
public 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);
}
}
@Override
public 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;
}
@Override
public 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);
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
exc.printStackTrace();
}
}
}
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