关于BIO(即Java传统的网络编程，参考)

NIO网络编程

1.逐步演变

1.单线程阻塞模式

创建服务器

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/**  NIO开发客户端* */
public class NIO_Blocking_Server {public static void main(String[] args) throws Exception {//得到一个bufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(30);//NIO的API创建服务器ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();//绑定端口socketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9091));//创建一个集合，将获取到的连接放到集合中List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();while (true) {//获取连接 默认是阻塞方法，获取不到连接一直阻塞。SocketChannel channel = socketChannel.accept();channels.add(channel);for (SocketChannel chann : channels) {//read()默认是阻塞 没有数据读那么会一直阻塞。int read = chann.read(buffer);buffer.flip();//...处理数据 这里直接打印出来for (int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {System.out.print((char) buffer.get() + " ");}buffer.clear();}}}
}

客户端

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;public class NIO_Client {public static void main(String[] args) throws IOException {//NIO API 创建一个客户端channelSocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();//连接服务器clientChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9091));//写数据clientChannel.write(Charset.defaultCharset().encode("sdsdsd"));}
}

概述

• 默认NIO实现的网络编程还是一个阻塞式的，即accept()获取客户端连接以及进行read()读取数据都是阻塞式的。
• 这种情况跟Java传统的BIO没有什么区别，阻塞式的缺点channel之间会进行影响，比如说某一个客户端进行了连接，但是一直没有写数据，服务器调用channel.read()时那么就会一直阻塞，那么其他的客户端都连接不到服务器 (因为是单线程)，并且可能其他的连接channel有数据了，因为这个没有数据的连接的阻塞而一直处理不了。

基于这些缺点，最大的缺点就是单线程阻塞下各个channel会互相影响，所以多线程的阻塞模式以及非阻塞模式就衍生出来

2.多线程阻塞模式

• 多线程阻塞式的核心就是，在获取到了客户端的连接channel后，开启一个新的线程去处理这个channel的读写请求，然后服务器就能继续处理连接，代码参考BIO多线程模式
• 这种模式的好处就是连接之间不会相互的影响，服务器只要获取了一个连接就开启线程去处理读写，上一个连接的读写不会影响其他的连接的建立。
• 弊端就是这种模式非常的消耗资源，每来一个连接就开一个线程，那么在大量的连接下服务器会崩掉。（可以使用线程池优化）

多线程下的阻塞模式可以解决一些问题，但是非常消耗资源，这在高并发系统中是几乎不可能使用的一种模式，所以必须弃用多线程的设计，要解决各个channel之间会进行影响除了从多线程角度解决问题，还可以从阻塞这个角度解决问题。单线程下我们可不可以将accept()和read()这两个阻塞方法变为非阻塞呢,那么各个连接之间就不会相互影响了 那么NIO的非阻塞API来了~

3.非阻塞NIO模式

服务器

/**  NIO开发客户端* */
public class NIO_NoBlocking_Server {public static void main(String[] args) throws Exception {//申请一个bufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(30);//NIO的API创建服务器ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();/** 设置服务器连接为非阻塞* 即accept()方法为非阻塞 获取不到连接直接返回null。* */socketChannel.configureBlocking(false);//绑定端口socketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9090));List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();while (true) {//上面设置为false后，变为非阻塞，获取不到连接直接返回null。SocketChannel channel = socketChannel.accept();/** 设置连接读为非阻塞* 即read()方法为非阻塞* */if (channel != null) {channel.configureBlocking(false);channels.add(channel);}for (SocketChannel chann : channels) {/** 经过设置为false之后，read()变为非阻塞，没有数据返回0* */int len = chann.read(buffer);//len == 0说明此客户端还未发送来数据if(len == 0) continue;//。。。有数据，处理数据buffer.flip();//....处理数据buffer.clear();}}}
}

总结

可以看到，使用NIO提供的非阻塞API只需要修改两个配置即可

// 1.将获取客户端连接的方法变为非阻塞，即获取不到直接返回NULL，不阻塞。
socketChannel.configureBlocking(false);// 2.将从连接channel中读取数据变为非阻塞，没有数据时直接返回0，不阻塞。
channel.configureBlocking(false);

NIO非阻塞的模式的工作模式

缺点

• 在这种工作模式下，我们的线程没有阻塞，循环一直在工作，那么就会一直占用CPU（即使没有连接channel，也会一直循环），并且每次我们都需要遍历整个channel集合，调用其read()方法判断channel是否有数据就绪，我们知道read()方法底层是一次系统调用(OS的知识)，会涉及到用户态以及核心态的转换，是非常消耗资源的。总结起来就是：没有连接到来时会循环，没有数据可读时也会循环
• 所以我们希望的是 ，当某个或者某些channel有数据就绪或者需要向channel写数据时(即有事件发生时)告诉我们，我们才处理，而不是直接遍历所有的channel去挨个判断。这就是IO多路复用的思想

Java的开发者们当然想到了这一点，在NIO中为我们提供了一个Selector，下面详细讲解Selector的使用

2.Selector使用详解

首先看一下NIO中定义的四种事件类型

四种事件类型

• accept (服务器端) ServerSocketChannel有连接请求时触发
• connect (客户端) 连接建立后触发
• read (服务器端) 建立连接后SocketChannel可读事件
• write (服务器端) 建立连接后SocketChannel可写事件

//如果一个channel需要绑定多个事件，直接将多个相加即可(或者'|'起来 '|' => 不进位加法)public static final int OP_READ = 1 << 0;public static final int OP_WRITE = 1 << 2;public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

2.1Selector简单介绍

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

2.1.1创建

Selector selector = Selector.open();

2.1.2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

2.1.3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();

2.1.4select 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

2.2处理accept()/read()

注意点：

• 不管是什么类型的Channel，想要注册到Selector上，必须设置Channel为非阻塞模式

• 遍历事件发生的key的集合时(注意一定要使用迭代器遍历，为了删除key)注意：

  1. 在默认的水平触发模式下，所有的事件必须进行处理或者cancel()，不处理的话下次进行select()时，Selctor还认为Channel上发生了事件的就绪，那就不会阻塞，导致一直循环下去。

  2. 使用迭代器遍历得到key后，必须删除key，否则下次会空指针异常。

  ​ 看一下Slector的原理然后解释：

  ​ 解释第一点：事件处理的标志就是在左边的集合中(keys集合)每一个Key发生事件时有一个标志位，处理了那么标志位就会清除，cancel()是直接将Key删除，即直接将Channel从keys集合中移除掉。如果没有处理或者cancel(),Selector发现未处理，则继续让你处理，不会阻塞，导致一直循环。

  ​ 解释第二点，每次遍历事件就绪集合时，必须手动调用迭代器的remove()将拿到的key删除，否则下次遍历右边就绪集合(selectedKeys集合)时，可能这个key对应的channel没有发生事件，那么还处理时就可能出现异常。

  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

• 在处理读事件时，必须要使用try-catch处理，并且判断channel.read()的返回值情况进行处理

  因为客户端在正常或者非正常断开时，会触发一次 read() 事件，如果不处理可能会导致服务器直接挂或者导致select()方法不阻塞的严重问题

  详细处理见代码

public class NIO_Selector {/** 注意：实际操作中需要将所有的代码使用try-catch-finally处理* 这里只是为了讲解使用，只讲核心的代码使用tcf处理。*/public static void main(String[] args) throws IOException {/** 创建一个Selector，可以管理多个不同种类的channel，* 使用时直接将channel注册到Selector上即可* */Selector selector = Selector.open();//创建一个ServerServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9090));//注意：要注册到Selector那么channel必须设置为非阻塞serverSocketChannel.configureBlocking(false);/** 注册，将此负责获取连接的Channel注册到Selector上，* 设置Selector关注此Channel上accept()事件即连接事件的发生，返回一个关联的key* 四种事件 OP_ACCEPT / OP_CONNECT / OP_READ / OP_WRITE*/SelectionKey serverSocketKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {/** 有事件就绪时执行，没有事件就绪时阻塞* 返回值是就绪的Channel的个数*/int n = selector.select();//返回一个Set集合，包含了所有有事件发生的channel的key。Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();//迭代器遍历可以在遍历的同时进行删除while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();//删除keyiterator.remove();/** 注意：这里是根据注册时设置的事件(OP_XX)来判断的。* */if (key.isAcceptable()) {/** 获取key关联到selector上的channel，说明此serverChannel有连接到来* 因此能走到这个判断里，那么当前key一定是ServerSocketChannel，* 所以调用key.channel()时，直接强转为ServerSocketChannel即可。(下面同理)]*/ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();//获取socketChannel连接SocketChannel socketChannel = serverChannel.accept();//要注册到Selector那么channel必须设置为非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);//将socketChannel连接也注册到Selector上,关注的是读Read事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);} else if (key.isReadable()) { //处理读事件               try {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(12);/* 客户端正常断开返回-1，此时需要取消Selector监视的Channel* 正常读取返回读到的字节数 ，并进行数据处理    * 异常断开走下面 的catch块*/int read = channel.read(buffer);//正常断开if(read == -1) {channel.close();key.cancel();}else{ //正常处理数据的流程// ...}} catch (Exception e) {/** 客户端异常断开，服务器会抛出异常，* 必须处理，即将此channel从keys集合中删除      */key.cancel(); channel.close();}}}}}
}

2.2处理消息的边界

核心：为每个Channel设置一个专有的附件，在注册时传入。

• 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

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 ByteBufferByteBuffer 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 {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, SelectionKey.OP_ACCEPT, null);// key 只关注 accept 事件sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));while (true) {selector.select();Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); // accept, readwhile (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();// 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理就会有问题iter.remove();// 5. 区分事件类型if (key.isAcceptable()) { // 如果是 acceptServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel sc = channel.accept();sc.configureBlocking(false);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment// 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上sc.register(selector, SelecteKey.OP_READ, buffer);} else if (key.isReadable()) { // 如果是 readtry {SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();// 获取 selectionKey 上关联的附件ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();// 如果是正常断开，read 的方法的返回值是 -1int read = channel.read(buffer); if(read == -1) {key.cancel();} else {//调用split()进行处理数据split(buffer);// 需要扩容if (buffer.position() == buffer.limit()) {ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);buffer.flip();//将原buffer的内容写入新的buffernewBuffer.put(buffer); //将扩容后的BUffer设置为新的附件key.attach(newBuffer);}}} 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）}}}}
}

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(附件)
• 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
  • 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

2.3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<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);}}}}
}

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

2.4多线程优化

码云地址

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

总流程：

主线程只监听accept，有连接到来，获取SocketChannel，将其注册到专门的read()线程中(配置一个Selector)，以后这个Channel的读事件就有read()线程专门监听处理。(可以配置多个read()线程，轮流注册并处理)

2.5总结

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

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）

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（因为文件IO没有非阻塞API）
• 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

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

3.NIO vs BIO

3.1 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

3.2 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

注意，同步还是非同步最大的区别在于

• 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(等待网卡中的数据到达内核缓冲区)

• 复制数据阶段(将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区)
  

• 阻塞 IO

  用户线程等待数据需要阻塞，一直阻塞到有数据到来

• 非阻塞 IO

  用户在等待数据时不需要阻塞，没有数据可读直接返回，然后一直循环，等到数据到来时进行读取。

• 多路复用

  单线程可以配合 Selector完成对多个连接的事件的监控，

信号驱动

• 异步IO

  用户线程(例如下面的thread1)只是调用一下非阻塞的read()告诉操作系统我要读数据了，不管有没有数据都直接返回，然后操作系统负责另开线程(thread2)将数据最终拷贝到用户的缓冲区。

• 阻塞 IO vs 多路复用

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