title: Netty01-nio
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author: 张文军
date: 2021-04-10 05:36:46
tags:
- 网络
- BIO-AIO-NIO概念
- netty
category: - netty
- 网络
summary: Netty01-nio
锁清秋
一. NIO 基础
non-blocking io 非阻塞 IO
1. 三大组件
1.1 Channel & Buffer
channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的双向通道，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层
graph LRchannel --> bufferbuffer --> channel
常见的 Channel 有
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有
- ByteBuffer
- MappedByteBuffer
- DirectByteBuffer
- HeapByteBuffer
- ShortBuffer
- IntBuffer
- LongBuffer
- FloatBuffer
- DoubleBuffer
- CharBuffer
1.2 Selector
selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途多线程版设计
``` graph TD subgraph 多线程版 t1(thread) —> s1(socket1) t2(thread) —> s2(socket2) t3(thread) —> s3(socket3) end
#### ⚠️ 多线程版缺点- 内存占用高- 线程上下文切换成本高- 只适合连接数少的场景#### 线程池版设计
graph TD subgraph 线程池版 t4(thread) —> s4(socket1) t5(thread) —> s5(socket2) t4(thread) -.-> s6(socket3) t5(thread) -.-> s7(socket4) end
#### ⚠️ 线程池版缺点- 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接- 仅适合短连接场景#### selector 版设计selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic）
graph TD subgraph selector 版 thread —> selector selector —> c1(channel) selector —> c2(channel) selector —> c3(channel) end
调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理## 2. ByteBuffer有一普通文本文件 data.txt，内容为
1234567890abcd
使用 FileChannel 来读取文件内容
@Slf4j public class ChannelDemo1 { public static void main(String[] args) { try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(“helloword/data.txt”, “rw”)) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); do { // 向 buffer 写入 int len = channel.read(buffer); log.debug(“读到字节数：{}”, len); if (len == -1) { break; } // 切换 buffer 读模式 buffer.flip(); while(buffer.hasRemaining()) { log.debug(“{}”, (char)buffer.get()); } // 切换 buffer 写模式 buffer.clear(); } while (true); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
输出
10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：10 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1
### 2.1 ByteBuffer 正确使用姿势1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer)1. 调用 flip() 切换至**读模式**1. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get()1. 调用 clear() 或 compact() 切换至**写模式**1. 重复 1~4 步骤### 2.2 ByteBuffer 结构ByteBuffer 有以下重要属性- capacity- position- limit一开始<br /><br />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<br /><br />flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制<br /><br />读取 4 个字节后，状态<br /><br />clear 动作发生后，状态<br /><br />compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式<br />#### 💡 调试工具类
public class ByteBufferUtil { private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256]; private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4]; private static final String[] HEXPADDING = new String[16]; private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4]; private static final String[] BYTE2HEX = new String[256]; private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];
static {final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();for (int i = 0; i < 256; i++) {HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];}int i;// Generate the lookup table for hex dump paddingsfor (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {int padding = HEXPADDING.length - i;StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);for (int j = 0; j < padding; j++) {buf.append(" ");}HEXPADDING[i] = buf.toString();}// Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {StringBuilder buf = new StringBuilder(12);buf.append(NEWLINE);buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');buf.append('|');HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();}// Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversionfor (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);}// Generate the lookup table for byte dump paddingsfor (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {int padding = BYTEPADDING.length - i;StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);for (int j = 0; j < padding; j++) {buf.append(' ');}BYTEPADDING[i] = buf.toString();}// Generate the lookup table for byte-to-char conversionfor (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {BYTE2CHAR[i] = '.';} else {BYTE2CHAR[i] = (char) i;}}}/*** 打印所有内容* @param buffer*/public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {int oldlimit = buffer.limit();buffer.limit(buffer.capacity());StringBuilder origin = new StringBuilder(256);appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);System.out.println(origin);buffer.limit(oldlimit);}/*** 打印可读取内容* @param buffer*/public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {StringBuilder builder = new StringBuilder(256);appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());System.out.println(builder);}private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {throw new IndexOutOfBoundsException("expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length+ ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');}if (length == 0) {return;}dump.append(" +-------------------------------------------------+" +NEWLINE + " | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |" +NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");final int startIndex = offset;final int fullRows = length >>> 4;final int remainder = length & 0xF;// Dump the rows which have 16 bytes.for (int row = 0; row < fullRows; row++) {int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;// Per-row prefix.appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);// Hex dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + 16;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(" |");// ASCII dumpfor (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append('|');}// Dump the last row which has less than 16 bytes.if (remainder != 0) {int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);// Hex dumpint rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(HEXPADDING[remainder]);dump.append(" |");// Ascii dumpfor (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);}dump.append(BYTEPADDING[remainder]);dump.append('|');}dump.append(NEWLINE +"+--------+-------------------------------------------------+----------------+");}private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);} else {dump.append(NEWLINE);dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');dump.append('|');}}public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);}
}
### 2.3 ByteBuffer 常见方法#### 分配空间可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法
Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);
#### 向 buffer 写入数据有两种办法- 调用 channel 的 read 方法- 调用 buffer 自己的 put 方法
int readBytes = channel.read(buf);
和
buf.put((byte)127);
#### 从 buffer 读取数据同样有两种办法- 调用 channel 的 write 方法- 调用 buffer 自己的 get 方法
int writeBytes = channel.write(buf);
和
byte b = buf.get();
get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据- 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0- 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针#### mark 和 resetmark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置> **注意**> rewind 和 flip 都会清除 mark 位置#### 字符串与 ByteBuffer 互转
ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode(“你好”); ByteBuffer buffer2 = Charset.forName(“utf-8”).encode(“你好”);
debug(buffer1); debug(buffer2);
CharBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1); System.out.println(buffer3.getClass()); System.out.println(buffer3.toString());
输出
+-------------------------------------------------+| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+————+————————————————————————-+————————+ |00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd |…… | +————+————————————————————————-+————————+ +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd |…… | +————+————————————————————————-+————————+ class java.nio.HeapCharBuffer 你好
#### ⚠️ Buffer 的线程安全> Buffer 是**非线程安全的**### 2.4 Scattering Reads分散读取，有一个文本文件 3parts.txt
onetwothree
使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer
try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(“helloword/3parts.txt”, “rw”)) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer a = ByteBuffer.allocate(3); ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(3); ByteBuffer c = ByteBuffer.allocate(5); channel.read(new ByteBuffer[]{a, b, c}); a.flip(); b.flip(); c.flip(); debug(a); debug(b); debug(c); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
结果
+-------------------------------------------------+| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 6f 6e 65 |one | +————+————————————————————————-+————————+ +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 74 77 6f |two | +————+————————————————————————-+————————+ +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 74 68 72 65 65 |three | +————+————————————————————————-+————————+
### 2.5 Gathering Writes使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel
try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(“helloword/3parts.txt”, “rw”)) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4); ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4); channel.position(11);
d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'});e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'});d.flip();e.flip();debug(d);debug(e);channel.write(new ByteBuffer[]{d, e});
} catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }
输出
+-------------------------------------------------+| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 66 6f 75 72 |four | +————+————————————————————————-+————————+ +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 66 69 76 65 |five | +————+————————————————————————-+————————+
文件内容
onetwothreefourfive
### 2.6 练习网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔<br />但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为- Hello,world\n- I'm zhangsan\n- How are you?\n变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包)- Hello,world\nI'm zhangsan\nHo- w are you?\n现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据
public static void main(String[] args) { ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32); // 11 24 source.put(“Hello,world\nI’m zhangsan\nHo”.getBytes()); split(source);
source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());split(source);
}
private static void split(ByteBuffer source) { source.flip(); int oldLimit = source.limit(); for (int i = 0; i < oldLimit; i++) { if (source.get(i) == ‘\n’) { System.out.println(i); ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position()); // 0 ~ limit source.limit(i + 1); target.put(source); // 从source 读，向 target 写 debugAll(target); source.limit(oldLimit); } } source.compact(); }
## 3. 文件编程### 3.1 FileChannel#### ⚠️ FileChannel 工作模式> FileChannel 只能工作在阻塞模式下#### 获取不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法- 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读- 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写- 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定#### 读取会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾
int readBytes = channel.read(buffer);
#### 写入写入的正确姿势如下， SocketChannel
ByteBuffer buffer = …; buffer.put(…); // 存入数据 buffer.flip(); // 切换读模式
while(buffer.hasRemaining()) { channel.write(buffer); }
在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel#### 关闭channel 必须关闭，不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close 方法会间接地调用 channel 的 close 方法#### 位置获取当前位置
long pos = channel.position();
设置当前位置
long newPos = …; channel.position(newPos);
设置当前位置时，如果设置为文件的末尾- 这时读取会返回 -1- 这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00）#### 大小使用 size 方法获取文件的大小#### 强制写入操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘### 3.2 两个 Channel 传输数据
String FROM = “helloword/data.txt”; String TO = “helloword/to.txt”; long start = System.nanoTime(); try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel(); FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel(); ) { from.transferTo(0, from.size(), to); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } long end = System.nanoTime(); System.out.println(“transferTo 用时：” + (end - start) / 1000_000.0);
输出
transferTo 用时：8.2011
超过 2g 大小的文件传输
public class TestFileChannelTransferTo { public static void main(String[] args) { try ( FileChannel from = new FileInputStream(“data.txt”).getChannel(); FileChannel to = new FileOutputStream(“to.txt”).getChannel(); ) { // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化 long size = from.size(); // left 变量代表还剩余多少字节 for (long left = size; left > 0; ) { System.out.println(“position:” + (size - left) + “ left:” + left); left -= from.transferTo((size - left), left, to); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
实际传输一个超大文件
position:0 left:7769948160 position:2147483647 left:5622464513 position:4294967294 left:3474980866 position:6442450941 left:1327497219
### 3.3 Pathjdk7 引入了 Path 和 Paths 类- Path 用来表示文件路径- Paths 是工具类，用来获取 Path 实例
Path source = Paths.get(“1.txt”); // 相对路径 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt
Path source = Paths.get(“d:\1.txt”); // 绝对路径 代表了 d:\1.txt
Path source = Paths.get(“d:/1.txt”); // 绝对路径 同样代表了 d:\1.txt
Path projects = Paths.get(“d:\data”, “projects”); // 代表了 d:\data\projects
- `.` 代表了当前路径- `..` 代表了上一级路径例如目录结构如下
d: |- data |- projects |- a |- b
代码
Path path = Paths.get(“d:\data\projects\a\..\b”); System.out.println(path); System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径
会输出
d:\data\projects\a..\b d:\data\projects\b
### 3.4 Files检查文件是否存在
Path path = Paths.get(“helloword/data.txt”); System.out.println(Files.exists(path));
创建一级目录
Path path = Paths.get(“helloword/d1”); Files.createDirectory(path);
- 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException- 不能一次创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException创建多级目录用
Path path = Paths.get(“helloword/d1/d2”); Files.createDirectories(path);
拷贝文件
Path source = Paths.get(“helloword/data.txt”); Path target = Paths.get(“helloword/target.txt”);
Files.copy(source, target);
- 如果文件已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException如果希望用 source 覆盖掉 target，需要用 StandardCopyOption 来控制
Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
移动文件
Path source = Paths.get(“helloword/data.txt”); Path target = Paths.get(“helloword/data.txt”);
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
- StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性删除文件
Path target = Paths.get(“helloword/target.txt”);
Files.delete(target);
- 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException删除目录
Path target = Paths.get(“helloword/d1”);
Files.delete(target);
- 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException遍历目录文件
public static void main(String[] args) throws IOException {
Path path = Paths.get(“C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91”);
AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor
@Overridepublic FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs)throws IOException {System.out.println(file);fileCount.incrementAndGet();return super.visitFile(file, attrs);}});System.out.println(dirCount); // 133System.out.println(fileCount); // 1479
}
统计 jar 的数目
Path path = Paths.get(“C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91”);
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor
删除多级目录
Path path = Paths.get(“d:\a”);
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor
@Overridepublic FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc)throws IOException {Files.delete(dir);return super.postVisitDirectory(dir, exc);}
});
#### ⚠️ 删除很危险> 删除是危险操作，确保要递归删除的文件夹没有重要内容拷贝多级目录
long start = System.currentTimeMillis(); String source = “D:\Snipaste-1.16.2-x64”; String target = “D:\Snipaste-1.16.2-x64aaa”;
Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> { try { String targetName = path.toString().replace(source, target); // 是目录 if (Files.isDirectory(path)) { Files.createDirectory(Paths.get(targetName)); } // 是普通文件 else if (Files.isRegularFile(path)) { Files.copy(path, Paths.get(targetName)); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }); long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(end - start);
## 4. 网络编程### 4.1 非阻塞 vs 阻塞#### 阻塞- 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停- ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停- SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停- 阻塞的表现其实就是线程暂停了，暂停期间不会占用 cpu，但线程相当于闲置- 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能正常工作，需要多线程支持- 但多线程下，有新的问题，体现在以下方面- 32 位 jvm 一个线程 320k，64 位 jvm 一个线程 1024k，如果连接数过多，必然导致 OOM，并且线程太多，反而会因为频繁上下文切换导致性能降低- 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换，但治标不治本，如果有很多连接建立，但长时间 inactive，会阻塞线程池中所有线程，因此不适合长连接，只适合短连接服务器端
// 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程 // 0. ByteBuffer ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // 1. 创建了服务器 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
// 2. 绑定监听端口 ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
// 3. 连接集合
List
客户端
@Slf4j public class Client { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { /模拟启动五个客户端/ for (int i = 0; i < 5; i++) { new Thread(() -> { sendMessage(Thread.currentThread().getName()); }).start(); } Thread.sleep(30000); }
private static void sendMessage(String message) {try (SocketChannel client = SocketChannel.open()) {client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));/*每个客户端发送五次数据*/for (int i = 0; i < 5; i++) {ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(message + ":" + i);client.write(buffer);}} catch (IOException e) {log.error(e.getMessage());}}
}
#### 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
#### 多路复用单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控，这称之为多路复用- 多路复用仅针对网络 IO、普通文件 IO 没法利用多路复用- 如果不用 Selector 的非阻塞模式，线程大部分时间都在做无用功，而 Selector 能够保证- 有可连接事件时才去连接- 有可读事件才去读取- 有可写事件才去写入- 限于网络传输能力，Channel 未必时时可写，一旦 Channel 可写，会触发 Selector 的可写事件### 4.2 Selector
graph TD subgraph selector 版 thread —> selector selector —> c1(channel) selector —> c2(channel) selector —> c3(channel) end
好处- 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功- 让这个线程能够被充分利用- 节约了线程的数量- 减少了线程上下文切换#### 创建
Selector selector = Selector.open();
#### 绑定 Channel 事件也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心
channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件);
- channel 必须工作在非阻塞模式- FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用- 绑定的事件类型可以有- connect - 客户端连接成功时触发- accept - 服务器端成功接受连接时触发- read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况- write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况#### 监听 Channel 事件可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件<br />方法1，阻塞直到绑定事件发生
int count = selector.select();
方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）
int count = selector.select(long timeout);
方法3，不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件
int count = selector.selectNow();
#### 💡 select 何时不阻塞> - 事件发生时- 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件- 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件- channel 可写，会触发 write 事件- 在 linux 下 nio bug 发生时> - 调用 selector.wakeup()> - 调用 selector.close()> - selector 所在线程 interrupt### 4.3 处理 accept 事件客户端代码为
public class Client { public static void main(String[] args) { try (Socket socket = new Socket(“localhost”, 8080)) { System.out.println(socket); socket.getOutputStream().write(“world”.getBytes()); System.in.read(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
服务器端代码为
@Slf4j public class ChannelDemo6 { public static void main(String[] args) { try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) { channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println(channel); Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {int count = selector.select();
// int count = selector.selectNow(); log.debug(“select count: {}”, count); // if(count <= 0) { // continue; // }
// 获取所有事件Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();// 遍历所有事件，逐一处理Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 判断事件类型if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();// 必须处理SocketChannel sc = c.accept();log.debug("{}", sc);}// 处理完毕，必须将事件移除iter.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}
#### 💡 事件发生后能否不处理> 事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发### 4.4 处理 read 事件
@Slf4j public class ChannelDemo6 { public static void main(String[] args) { try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) { channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println(channel); Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {int count = selector.select();
// int count = selector.selectNow(); log.debug(“select count: {}”, count); // if(count <= 0) { // continue; // }
// 获取所有事件Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();// 遍历所有事件，逐一处理Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 判断事件类型if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();// 必须处理SocketChannel sc = c.accept();sc.configureBlocking(false);sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);log.debug("连接已建立: {}", sc);} else if (key.isReadable()) {SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);int read = sc.read(buffer);if(read == -1) {key.cancel();sc.close();} else {buffer.flip();debug(buffer);}}// 处理完毕，必须将事件移除iter.remove();}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}
开启两个客户端，修改一下发送文字，输出
sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +————+————————————————————————-+————————+ 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378] 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 77 6f 72 6c 64 |world | +————+————————————————————————-+————————+
#### 💡 为何要 iter.remove()> 因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如> - 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey> - 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常#### 💡 cancel 的作用> cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件#### ⚠️ 不处理边界的问题以前有同学写过这样的代码，思考注释中两个问题，以 bio 为例，其实 nio 道理是一样的
public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket ss=new ServerSocket(9000); while (true) { Socket s = ss.accept(); InputStream in = s.getInputStream(); // 这里这么写，有没有问题 byte[] arr = new byte[4]; while(true) { int read = in.read(arr); // 这里这么写，有没有问题 if(read == -1) { break; } System.out.println(new String(arr, 0, read)); } } } }
客户端
public class Client { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket max = new Socket(“localhost”, 9000); OutputStream out = max.getOutputStream(); out.write(“hello”.getBytes()); out.write(“world”.getBytes()); out.write(“你好”.getBytes()); max.close(); } }
输出
hell owor ld� �好
为什么？#### 处理消息的边界- 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽- 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低- TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量- Http 1.1 是 TLV 格式- Http 2.0 是 LTV 格式
sequenceDiagram participant c1 as 客户端1 participant s as 服务器 participant b1 as ByteBuffer1 participant b2 as ByteBuffer2 c1 ->> s: 发送 01234567890abcdef3333\r s ->> b1: 第一次 read 存入 01234567890abcdef s ->> b2: 扩容 b1 ->> b2: 拷贝 01234567890abcdef s ->> b2: 第二次 read 存入 3333\r b2 ->> b2: 01234567890abcdef3333\r
服务器端
private static void split(ByteBuffer source) { source.flip(); for (int i = 0; i < source.limit(); i++) { // 找到一条完整消息 if (source.get(i) == ‘\n’) { int length = i + 1 - source.position(); // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length); // 从 source 读，向 target 写 for (int j = 0; j < length; j++) { target.put(source.get()); } debugAll(target); } } source.compact(); // 0123456789abcdef position 16 limit 16 }
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 1. 创建 selector, 管理多个 channel
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false);
// 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
// SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
// key 只关注 accept 事件
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
log.debug(“sscKey:{}”, sscKey);
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
// 3. select 方法, 没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行
// select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
selector.select();
// 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
Iterator
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();key.cancel(); // 因为客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）}}}}
}
客户端
SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress(“localhost”, 8080)); SocketAddress address = sc.getLocalAddress(); // sc.write(Charset.defaultCharset().encode(“hello\nworld\n”)); sc.write(Charset.defaultCharset().encode(“0123\n456789abcdef”)); sc.write(Charset.defaultCharset().encode(“0123456789abcdef3333\n”)); System.in.read();
#### ByteBuffer 大小分配- 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息，因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用，因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer- ByteBuffer 不能太大，比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话，要支持百万连接就要 1Tb 内存，因此需要设计大小可变的 ByteBuffer- 一种思路是首先分配一个较小的 buffer，例如 4k，如果发现数据不够，再分配 8k 的 buffer，将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗费性能，参考实现 [http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html](http:_tutorials.jenkov.com_java-performance_resizable-array)- 另一种思路是用多个数组组成 buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，与前面的区别是消息存储不连续解析复杂，优点是避免了拷贝引起的性能损耗### 4.5 处理 write 事件#### 一次无法写完例子- 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）- 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略- 当消息处理器第一次写入消息时，才将 channel 注册到 selector 上- selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册- 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件
public class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));Selector selector = Selector.open();ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while(true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove();if (key.isAcceptable()) {SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);SelectionKey sckey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);// 1. 向客户端发送内容StringBuilder sb = new StringBuilder();for (int i = 0; i < 3000000; i++) {sb.append("a");}ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());int write = sc.write(buffer);// 3. write 表示实际写了多少字节System.out.println("实际写入字节:" + write);// 4. 如果有剩余未读字节，才需要关注写事件if (buffer.hasRemaining()) {// read 1 write 4// 在原有关注事件的基础上，多关注 写事件sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);// 把 buffer 作为附件加入 sckeysckey.attach(buffer);}} else if (key.isWritable()) {ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();int write = sc.write(buffer);System.out.println("实际写入字节:" + write);if (!buffer.hasRemaining()) { // 写完了key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);key.attach(null);}}}}}
}
客户端
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.configureBlocking(false);
sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
sc.connect(new InetSocketAddress(“localhost”, 8080));
int count = 0;
while (true) {
selector.select();
Iterator
#### 💡 write 为何要取消只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注### 4.6 更进一步#### 💡 利用多线程优化> 现在都是多核 cpu，设计时要充分考虑别让 cpu 的力量被白白浪费前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核 cpu，如何改进呢？<br />分两组选择器- 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件- 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件
public class ChannelDemo7 { public static void main(String[] args) throws IOException { new BossEventLoop().register(); }
@Slf4jstatic class BossEventLoop implements Runnable {private Selector boss;private WorkerEventLoop[] workers;private volatile boolean start = false;AtomicInteger index = new AtomicInteger();public void register() throws IOException {if (!start) {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));ssc.configureBlocking(false);boss = Selector.open();SelectionKey ssckey = ssc.register(boss, 0, null);ssckey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);workers = initEventLoops();new Thread(this, "boss").start();log.debug("boss start...");start = true;}}public WorkerEventLoop[] initEventLoops() {
// EventLoop[] eventLoops = new EventLoop[Runtime.getRuntime().availableProcessors()]; WorkerEventLoop[] workerEventLoops = new WorkerEventLoop[2]; for (int i = 0; i < workerEventLoops.length; i++) { workerEventLoops[i] = new WorkerEventLoop(i); } return workerEventLoops; }
@Overridepublic void run() {while (true) {try {boss.select();Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();iter.remove();if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = c.accept();sc.configureBlocking(false);log.debug("{} connected", sc.getRemoteAddress());workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc);}}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}@Slf4jstatic class WorkerEventLoop implements Runnable {private Selector worker;private volatile boolean start = false;private int index;private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> tasks = new ConcurrentLinkedQueue<>();public WorkerEventLoop(int index) {this.index = index;}public void register(SocketChannel sc) throws IOException {if (!start) {worker = Selector.open();new Thread(this, "worker-" + index).start();start = true;}tasks.add(() -> {try {SelectionKey sckey = sc.register(worker, 0, null);sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);worker.selectNow();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}});worker.wakeup();}@Overridepublic void run() {while (true) {try {worker.select();Runnable task = tasks.poll();if (task != null) {task.run();}Set<SelectionKey> keys = worker.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();if (key.isReadable()) {SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128);try {int read = sc.read(buffer);if (read == -1) {key.cancel();sc.close();} else {buffer.flip();log.debug("{} message:", sc.getRemoteAddress());debugAll(buffer);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();key.cancel();sc.close();}}iter.remove();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}}
}
#### 💡 如何拿到 cpu 个数> - Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数> - 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启### 4.7 UDP- UDP 是无连接的，client 发送数据不会管 server 是否开启- server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer，但如果数据报文超过 buffer 大小，多出来的数据会被默默抛弃首先启动服务器端
public class UdpServer { public static void main(String[] args) { try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) { channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999)); System.out.println(“waiting…”); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32); channel.receive(buffer); buffer.flip(); debug(buffer); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
输出
waiting…
运行客户端
public class UdpClient { public static void main(String[] args) { try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) { ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(“hello”); InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(“localhost”, 9999); channel.send(buffer, address); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } }
接下来服务器端输出
+-------------------------------------------------+| 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |
+————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +————+————————————————————————-+————————+
## 5. NIO vs BIO### 5.1 stream vs channel- stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层）- stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用- 二者均为全双工，即读写可以同时进行### 5.2 IO 模型同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞- 同步：线程自己去获取结果（一个线程）- 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程）当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为：- 等待数据阶段- 复制数据阶段-阻塞 IO<br />-非阻塞 IO<br />-多路复用<br />-信号驱动-异步 IO<br />-阻塞 IO vs 多路复用<br /><br />#### 🔖 参考UNIX 网络编程 - 卷 I### 5.3 零拷贝#### 传统 IO 问题传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出
File f = new File(“helloword/data.txt”); RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, “r”);
byte[] buf = new byte[(int)f.length()]; file.read(buf);
Socket socket = …; socket.getOutputStream().write(buf);
内部工作流程是这样的：<br />1.java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入**内核缓冲区**。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu> DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO1.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 DMA1.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1.接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从**用户态**切换至**内核态**，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的- 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级- 数据拷贝了共 4 次#### NIO 优化通过 DirectByteBuf- ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存- ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存<br />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<br />1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu1. 数据从**内核缓冲区**传输到 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝1. 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）<br />1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu1. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 **socket 缓冲区**，几乎无消耗1. 使用 DMA 将 **内核缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有- 更少的用户态与内核态的切换- 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享- 零拷贝适合小文件传输### 5.3 AIOAIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题- 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置- 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果> 异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持> - Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO> - Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势#### 文件 AIO先来看看 AsynchronousFileChannel
@Slf4j
public class AioDemo1 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
try{
AsynchronousFileChannel s =
AsynchronousFileChannel.open(
Paths.get(“1.txt”), StandardOpenOption.READ);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
log.debug(“begin…”);
s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler
@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {log.debug("read failed...");}});} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}log.debug("do other things...");System.in.read();}
}
输出
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin… 13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things… 13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed…2 +————————————————————————-+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +————+————————————————————————-+————————+ |00000000| 61 0d |a. | +————+————————————————————————-+————————+
可以看到- 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5- 主线程并没有 IO 操作阻塞#### 💡 守护线程默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行 `System.in.read()` 以避免守护线程意外结束#### 网络 AIO
public class AioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc)); System.in.read(); }
private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) {try {System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());sc.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {private final AsynchronousSocketChannel sc;public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {this.sc = sc;}@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {try {if (result == -1) {closeChannel(sc);return;}System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());attachment.flip();System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment));attachment.clear();// 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件sc.read(attachment, attachment, this);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {closeChannel(sc);exc.printStackTrace();}}private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {private final AsynchronousSocketChannel sc;private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) {this.sc = sc;}@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {// 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容if (attachment.hasRemaining()) {sc.write(attachment);}}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {exc.printStackTrace();closeChannel(sc);}}private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {private final AsynchronousServerSocketChannel ssc;public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) {this.ssc = ssc;}@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) {try {System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 读事件由 ReadHandler 处理sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc));// 写事件由 WriteHandler 处理sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc));// 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件ssc.accept(null, this);}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Object attachment) {exc.printStackTrace();}}
}
```
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