Java IO學習筆記六：NIO到多路複用

作者：Grey

原文位址：Java IO學習筆記六：NIO到多路複用

雖然NIO性能上比BIO要好，參考：Java IO學習筆記五：BIO到NIO

但是NIO也有問題，NIO服務端的示例代碼中往往會包括如下代碼：

即：周遊所有的<code>SocketChannel</code>，擷取能讀寫資料的用戶端，當用戶端數量非常多的時候，服務端要輪詢所有連接配接的用戶端拿資料（<code>recv</code>調用），很多調用是無意義的，這樣會導緻頻繁的使用者态切換成核心态，導緻性能變差。

多路複用技術可以解決NIO的這個問題，多個IO通過一個系統調用獲得其中的IO狀态，然後由程式對有狀态的IO進行讀寫操作。在Linux系統中，多路複用的實作有：

基于POSIX标準的SELECT

POLL (select隻支援最大fd &lt; 1024，如果單個程序的檔案句柄數超過1024，select就不能用了。poll在接口上無限制)

EPOLL

其中SELECT和POLL類似，但是有一些差別，參考select和poll的差別

無論NIO，SELECT還是POLL，都是要周遊所有IO，詢問狀态,隻不過周遊這件事到底是核心來做還是應用程式來做而已。

而epoll，可以看成是SELECT和POLL的增強，在調用select/poll時候，都需要把fd集合從使用者态拷貝到核心态，但是epoll調用epoll_ctl時拷貝進核心并儲存，之後每次epoll_wait不做拷貝，而且epoll采用的是事件通知方式，每當fd就緒，系統注冊的回調函數就會被調用，将就緒fd放到rdllist裡面。時間複雜度O(1)。

更多内容可以參考：

深入了解 Epoll

Select、Poll、Epoll詳解

Java的Selector封裝了底層epoll和poll的API，可以通過指定如下參數來調用執行的核心調用, 在Linux平台，如果指定

則底層調用poll，

指定為：

或者不指定，則底層調用epoll。

源碼參考:jdk8u-jdk

接下來，我們使用一套服務端代碼，在Linux伺服器上運作，分别指定底層用epoll和poll，并用<code>strace</code>工具來追蹤其核心調用。

準備服務端代碼：

和服務端代碼在同一目錄下準備一個腳本<code>SocketMultiplexingV1.sh</code>

執行

底層調用Poll

重新打開一個控制台，通過nc工具連接配接這個服務端

服務端可以正常接收到連接配接

暫時先不要發送資料，此時，檢視服務端的程序：

檢視服務端目前關聯的檔案描述符

其中<code>4u</code>為服務端監聽的Socket檔案描述符，<code>7u</code>為新連接配接進來的用戶端Socket檔案描述符。

通過nc用戶端給服務端發送一些資料,用戶端也可以正常收到服務端傳回的資料

接下來停掉服務端和用戶端, 檢視追蹤日志

其中Poll.1678為主線程日志, 我們一一看下整個調用過程

以上兩個調用對應了代碼中建立Socket并綁定9090端口進行監聽這個邏輯。

以上調用對應了：

調用的poll方法表示一個新的檔案描述符<code>4u</code>有<code>POLLIN（POLLIN：There is data to read）</code>的事件

這裡說明接收了一個新的Socket連接配接，就是我們剛才用<code>lsof</code>看到的<code>7u</code>這個檔案描述符。，調用了<code>poll</code>方法，說明一個新的檔案描述符<code>7u</code>有<code>POLLIN（POLLIN：There is data to read）</code>的事件。

我們的代碼中對于每次接收的用戶端，也會把用戶端設定為非阻塞，即：

對應的核心調用就是：

以上就是poll調用對應核心函數的調用。

接下來切換成epoll模式，重新執行腳本

用nc連接配接服務端

服務端響應正常

通過nc發送一些資料

也可以正常接收

接下來停掉服務端和用戶端，檢視主線程調用情況

其中建立Socket，Bind 9090端口，設定非阻塞和Poll都是相同的調用

但是一旦有新的連接配接進來

epoll_create: 建立一個epoll執行個體，檔案描述符

epoll_ctl: 将監聽的檔案描述符添加到epoll執行個體中，執行個體代碼為将标準輸入檔案描述符添加到epoll中

epoll_wait: 等待epoll事件從epoll執行個體中發生， 并傳回事件以及對應檔案描述符

調用epoll_create時，核心除了幫我們在epoll檔案系統裡建了個file結點，在核心cache裡建了個紅黑樹用于存儲以後epoll_ctl傳來的socket外，還會再建立一個list連結清單，用于存儲準備就緒的事件。

當epoll_wait調用時，僅僅觀察這個list連結清單裡有沒有資料即可。有資料就傳回，沒有資料就sleep，等到timeout時間到後即使連結清單沒資料也傳回。是以，epoll_wait非常高效。

源碼：Github

參考資料：

select和poll的差別