深入淺出NIO Socket實作機制

前言

Java NIO 由以下幾個核心部分組成：

Buffer
Channel
Selector

以前基于net包進行socket程式設計時，accept方法會一直阻塞，直到有用戶端請求的到來，并傳回socket進行相應的處理。整個過程是流水線的，處理完一個請求，才能去擷取并處理後面的請求；當然我們可以把擷取socket和處理socket的過程分開，一個線程負責accept，線程池負責處理請求。

NIO為我們提供了更好的解決方案，采用選擇器（Selector）找出已經準備好讀寫的socket，并按順序處理，基于通道（Channel）和緩沖區（Buffer）來傳輸和儲存資料。

Buffer和Channel已經介紹過深入淺出NIO Channel和Buffer，本文主要介紹NIO的Selector和Socket的實踐以及實作原理。

Selector是什麼？

在養雞場，有這一個人，每天的工作就是不停檢查幾個特殊的雞籠，如果有雞進來，有雞出去，有雞生蛋，有雞生病等等，就把相應的情況記錄下來。這樣，如果負責人想知道雞場情況，隻需要到那個人查詢即可，當然前提是，負責得讓那個人知道需要記錄哪些情況。

Selector的作用相當這個人的工作，每個雞籠相當于一個SocketChannel，單個線程通過Selector可以管理多個SocketChannel。

A Thread uses a Selector to handle 3 Channels

為了實作Selector管理多個SocketChannel，必須将多個具體的SocketChannel對象注冊到Selector對象，并聲明需要監聽的事件，目前有4種類型的事件：

connect：用戶端連接配接服務端事件，對應值為SelectionKey.OP_CONNECT(8)

accept：服務端接收用戶端連接配接事件，對應值為SelectionKey.OP_ACCEPT(16)

read：讀事件，對應值為SelectionKey.OP_READ(1)

write：寫事件，對應值為SelectionKey.OP_WRITE(4)

當SocketChannel有對應的事件發生時，Selector能夠覺察到并進行相應的處理。

為了更好地了解NIO Socket，先來看一段服務端的示例代碼

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
    int n = selector.select();
    if (n == 0) continue;
    Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
    while(ite.hasNext()){
        SelectionKey key = (SelectionKey)ite.next();
        if (key.isAcceptable()){
            SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
            clntChan.configureBlocking(false);
            //将選擇器注冊到連接配接到的用戶端信道，
            //并指定該信道key值的屬性為OP_READ，
            //同時為該信道指定關聯的附件
            clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));
        }
        if (key.isReadable()){
            handleRead(key);
        }
        if (key.isWritable() && key.isValid()){
            handleWrite(key);
        }
        if (key.isConnectable()){
            System.out.println("isConnectable = true");
        }
      ite.remove();
    }
}

服務端連接配接過程

1、建立ServerSocketChannel執行個體serverSocketChannel，并bind到指定端口。

2、建立Selector執行個體selector；

3、将serverSocketChannel注冊到selector，并指定事件OP_ACCEPT。

4、while循環執行：

4.1、調用select方法，該方法會阻塞等待，直到有一個或多個通道準備好了I/O操作或等待逾時。

4.2、擷取選取的鍵清單；

4.3、循環鍵集中的每個鍵：

4.3.a、擷取通道，并從鍵中擷取附件（如果添加了附件）；

4.3.b、确定準備就緒的操縱并執行，如果是accept操作，将接收的信道設定為非阻塞模式，并注冊到選擇器；

4.3.c、如果需要，修改鍵的興趣操作集；

4.3.d、從已選鍵集中移除鍵

在步驟3中，selector隻注冊了serverSocketChannel的OP_ACCEPT事件

如果有用戶端A連接配接服務，執行select方法時，可以通過serverSocketChannel擷取用戶端A的socketChannel，并在selector上注冊socketChannel的OP_READ事件。
如果用戶端A發送資料，會觸發read事件，這樣下次輪詢調用select方法時，就能通過socketChannel讀取資料，同時在selector上注冊該socketChannel的OP_WRITE事件，實作伺服器往用戶端寫資料。

NIO Socket實作原理

SocketChannel、ServerSocketChannel和Selector的執行個體初始化都通過SelectorProvider類實作，其中Selector是整個NIO Socket的核心實作。

public static SelectorProvider provider() {
    synchronized (lock) {
        if (provider != null)
            return provider;
        return AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
                public SelectorProvider run() {
                        if (loadProviderFromProperty())
                            return provider;
                        if (loadProviderAsService())
                            return provider;
                        provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
                        return provider;
                    }
                });
    }
}

SelectorProvider在windows和linux下有不同的實作，provider方法會傳回對應的實作。

Selector分析

Selector是如何做到同時管理多個socket？

Selector初始化時，會執行個體化PollWrapper、SelectionKeyImpl數組和Pipe。

WindowsSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
    super(sp);
    pollWrapper = new PollArrayWrapper(INIT_CAP);
    wakeupPipe = Pipe.open();
    wakeupSourceFd = ((SelChImpl)wakeupPipe.source()).getFDVal();

    // Disable the Nagle algorithm so that the wakeup is more immediate
    SinkChannelImpl sink = (SinkChannelImpl)wakeupPipe.sink();
    (sink.sc).socket().setTcpNoDelay(true);
    wakeupSinkFd = ((SelChImpl)sink).getFDVal();
    pollWrapper.addWakeupSocket(wakeupSourceFd, 0);
}

pollWrapper用Unsafe類申請一塊實體記憶體，存放注冊時的socket句柄fdVal和event的資料結構pollfd，其中pollfd共8位，0~3位儲存socket句柄，4~7位儲存event。

pollfd

pollWrapper

pollWrapper提供了fdVal和event資料的相應操作，如添加操作通過Unsafe的putInt和putShort實作。

void putDescriptor(int i, int fd) {
    pollArray.putInt(SIZE_POLLFD * i + FD_OFFSET, fd);
}
void putEventOps(int i, int event) {
    pollArray.putShort(SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET, (short)event);
}

SelectionKeyImpl儲存注冊時的channel、selector、event以及儲存在pollWrapper的偏移位置index。

先看看

serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)

是如何實作的：

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
    throws ClosedChannelException {
    synchronized (regLock) {
        SelectionKey k = findKey(sel);
        if (k != null) {
            k.interestOps(ops);
            k.attach(att);
        }
        if (k == null) {
            // New registration
            synchronized (keyLock) {
                if (!isOpen())
                    throw new ClosedChannelException();
                k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
                addKey(k);
            }
        }
        return k;
    }
}

如果該channel和selector已經注冊過，則直接添加事件和附件。
否則通過selector實作注冊過程。

protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
      int ops,  Object attachment) {
    if (!(ch instanceof SelChImpl))
        throw new IllegalSelectorException();
    SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
    k.attach(attachment);
    synchronized (publicKeys) {
        implRegister(k);
    }
    k.interestOps(ops);
    return k;
}

protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
    synchronized (closeLock) {
        if (pollWrapper == null)
            throw new ClosedSelectorException();
        growIfNeeded();
        channelArray[totalChannels] = ski;
        ski.setIndex(totalChannels);
        fdMap.put(ski);
        keys.add(ski);
        pollWrapper.addEntry(totalChannels, ski);
        totalChannels++;
    }
}

以目前channel和selector為參數，初始化 SelectionKeyImpl 對象selectionKeyImpl ，并添加附件attachment。
如果目前channel的數量totalChannels等于SelectionKeyImpl數組大小，對SelectionKeyImpl數組和pollWrapper進行擴容操作。
如果totalChannels % MAX_SELECTABLE_FDS == 0，則多開一個線程處理selector。
pollWrapper.addEntry将把selectionKeyImpl中的socket句柄添加到對應的pollfd。
k.interestOps(ops)方法最終也會把event添加到對應的pollfd。

是以，不管serverSocketChannel，還是socketChannel，在selector注冊事件後，最終都儲存在pollArray中。

接着，再來看看selector中的select是如何實作一次擷取多個有事件發生的channel的。

底層由selector實作類的doSelect方法實作，如下：

protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
        if (channelArray == null)
            throw new ClosedSelectorException();
        this.timeout = timeout; // set selector timeout
        processDeregisterQueue();
        if (interruptTriggered) {
            resetWakeupSocket();
            return 0;
        }
        // Calculate number of helper threads needed for poll. If necessary
        // threads are created here and start waiting on startLock
        adjustThreadsCount();
        finishLock.reset(); // reset finishLock
        // Wakeup helper threads, waiting on startLock, so they start polling.
        // Redundant threads will exit here after wakeup.
        startLock.startThreads();
        // do polling in the main thread. Main thread is responsible for
        // first MAX_SELECTABLE_FDS entries in pollArray.
        try {
            begin();
            try {
                subSelector.poll();
            } catch (IOException e) {
                finishLock.setException(e); // Save this exception
            }
            // Main thread is out of poll(). Wakeup others and wait for them
            if (threads.size() > 0)
                finishLock.waitForHelperThreads();
          } finally {
              end();
          }
        // Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled  for the next run.
        finishLock.checkForException();
        processDeregisterQueue();
        int updated = updateSelectedKeys();
        // Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled  for the next run.
        resetWakeupSocket();
        return updated;
    }

其中 subSelector.poll() 是select的核心，由native函數poll0實作，readFds、writeFds 和exceptFds數組用來儲存底層select的結果，數組的第一個位置都是存放發生事件的socket的總數，其餘位置存放發生事件的socket句柄fd。

private final int[] readFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] writeFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] exceptFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private int poll() throws IOException{ // poll for the main thread
     return poll0(pollWrapper.pollArrayAddress,
          Math.min(totalChannels, MAX_SELECTABLE_FDS),
             readFds, writeFds, exceptFds, timeout);
}

執行 selector.select() ，poll0函數把指向socket句柄和事件的記憶體位址傳給底層函數。

如果之前沒有發生事件，程式就阻塞在select處，當然不會一直阻塞，因為epoll在timeout時間内如果沒有事件，也會傳回。
一旦有對應的事件發生，poll0方法就會傳回。
processDeregisterQueue方法會清理那些已經cancelled的SelectionKey
updateSelectedKeys方法統計有事件發生的SelectionKey數量，并把符合條件發生事件的SelectionKey添加到selectedKeys哈希表中，提供給後續使用。

在早期的JDK1.4和1.5 update10版本之前，Selector基于select/poll模型實作，是基于IO複用技術的非阻塞IO，不是異步IO。在JDK1.5 update10和linux core2.6以上版本，sun優化了Selctor的實作，底層使用epoll替換了select/poll。

epoll原理

epoll是Linux下的一種IO多路複用技術，可以非常高效的處理數以百萬計的socket句柄。

先看看使用c封裝的3個epoll系統調用：

int epoll_create(int size)

epoll_create建立一個epoll對象。參數size是核心保證能夠正确處理的最大句柄數，多于這個最大數時核心可不保證效果。
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)

epoll_ctl可以操作epoll_create建立的epoll，如将socket句柄加入到epoll中讓其監控，或把epoll正在監控的某個socket句柄移出epoll。
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout)

epoll_wait在調用時，在給定的timeout時間内，所監控的句柄中有事件發生時，就傳回使用者态的程序。

大概看看epoll内部是怎麼實作的：

epoll初始化時，會向核心注冊一個檔案系統，用于存儲被監控的句柄檔案，調用epoll_create時，會在這個檔案系統中建立一個file節點。同時epoll會開辟自己的核心高速緩存區，以紅黑樹的結構儲存句柄，以支援快速的查找、插入、删除。還會再建立一個list連結清單，用于存儲準備就緒的事件。
當執行epoll_ctl時，除了把socket句柄放到epoll檔案系統裡file對象對應的紅黑樹上之外，還會給核心中斷處理程式注冊一個回調函數，告訴核心，如果這個句柄的中斷到了，就把它放到準備就緒list連結清單裡。是以，當一個socket上有資料到了，核心在把網卡上的資料copy到核心中後，就把socket插入到就緒連結清單裡。
當epoll_wait調用時，僅僅觀察就緒連結清單裡有沒有資料，如果有資料就傳回，否則就sleep，逾時時立刻傳回。

epoll的兩種工作模式：

LT：level-trigger，水準觸發模式，隻要某個socket處于readable/writable狀态，無論什麼時候進行epoll_wait都會傳回該socket。
ET：edge-trigger，邊緣觸發模式，隻有某個socket從unreadable變為readable或從unwritable變為writable時，epoll_wait才會傳回該socket。

socket讀資料

socket寫資料

read實作

通過周遊selector中的SelectionKeyImpl數組，擷取發生事件的socketChannel對象，其中儲存了對應的socket句柄，實作如下。

public int read(ByteBuffer buf) throws IOException {
    if (buf == null)
        throw new NullPointerException();
    synchronized (readLock) {
        if (!ensureReadOpen())
            return -1;
        int n = 0;
        try {
            begin();
            synchronized (stateLock) {
                if (!isOpen()) {         
                    return 0;
                }
                readerThread = NativeThread.current();
            }
            for (;;) {
                n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd);
                if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen()) {
                    // The system call was interrupted but the channel
                    // is still open, so retry
                    continue;
                }
                return IOStatus.normalize(n);
            }
        } finally {
            readerCleanup();        // Clear reader thread
            // The end method, which 
            end(n > 0 || (n == IOStatus.UNAVAILABLE));

            // Extra case for socket channels: Asynchronous shutdown
            //
            synchronized (stateLock) {
                if ((n <= 0) && (!isInputOpen))
                    return IOStatus.EOF;
            }
            assert IOStatus.check(n);
        }
    }
}

通過Buffer的方式讀取socket的資料。

wakeup實作

public Selector wakeup() {
    synchronized (interruptLock) {
        if (!interruptTriggered) {
            setWakeupSocket();
            interruptTriggered = true;
        }
    }
    return this;
}

// Sets Windows wakeup socket to a signaled state.
private void setWakeupSocket() {
   setWakeupSocket0(wakeupSinkFd);
}
private native void setWakeupSocket0(int wakeupSinkFd);

看來wakeupSinkFd這個變量是為wakeup方法使用的。

其中interruptTriggered為中斷已觸發标志，當pollWrapper.interrupt()之後，該标志即為true了；因為這個标志，連續兩次wakeup，隻會有一次效果。

為了實作client和server的資料互動，Linux下采用管道pipe實作，windows下采用兩個socket之間的通信進行實作，它們都有這樣的特性：

都有兩個端，一個是read端，一個是write端，windows中兩個socket也是read和write的角色。
當往write端寫入資料，則read端即可以收到資料。

熬夜不易,點選請老王喝杯烈酒！！！！！！！

深入淺出NIO Socket實作機制

前言

Selector是什麼？

NIO Socket實作原理

Selector分析

epoll原理

read實作

wakeup實作

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