Java网络编程与NIO详解2:JAVA NIO 一步步构建IO多路复用的请求模型

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该系列博文会告诉你如何从计算机网络的基础知识入手,一步步地学习Java网络基础,从socket到nio、bio、aio和netty等网络编程知识,并且进行实战,网络编程是每一个Java后端工程师必须要学习和理解的知识点,进一步来说,你还需要掌握Linux中的网络编程原理,包括IO模型、网络编程框架netty的进阶原理,才能更完整地了解整个Java网络编程的知识体系,形成自己的知识框架。

为了更好地总结和检验你的学习成果,本系列文章也会提供部分知识点对应的面试题以及参考答案。

如果对本系列文章有什么建议,或者是有什么疑问的话,也可以关注公众号【Java技术江湖】联系作者,欢迎你参与本系列博文的创作和修订。

  • 文章一:JAVA 中原生的 socket 通信机制

当前环境

  1. jdk == 1.8

代码地址

git 地址:https://github.com/jasonGeng88/java-network-programming

知识点

  • nio 下 I/O 阻塞与非阻塞实现
  • SocketChannel 介绍
  • I/O 多路复用的原理
  • 事件选择器与 SocketChannel 的关系
  • 事件监听类型
  • 字节缓冲 ByteBuffer 数据结构

场景

接着上一篇中的站点访问问题,如果我们需要并发访问10个不同的网站,我们该如何处理?

在上一篇中,我们使用了 java.net.socket类来实现了这样的需求,以一线程处理一连接的方式,并配以线程池的控制,貌似得到了当前的最优解。可是这里也存在一个问题,连接处理是同步的,也就是并发数量增大后,大量请求会在队列中等待,或直接异常抛出。

为解决这问题,我们发现元凶处在“一线程一请求”上,如果一个线程能同时处理多个请求,那么在高并发下性能上会大大改善。这里就借住 JAVA 中的 nio 技术来实现这一模型。

nio 的阻塞实现

关于什么是 nio,从字面上理解为 New IO,就是为了弥补原本 I/O 上的不足,而在 JDK 1.4 中引入的一种新的 I/O 实现方式。简单理解,就是它提供了 I/O 的阻塞与非阻塞的两种实现方式(当然,默认实现方式是阻塞的。)。

下面,我们先来看下 nio 以阻塞方式是如何处理的。

建立连接

有了上一篇 socket 的经验,我们的第一步一定也是建立 socket 连接。只不过,这里不是采用 newsocket() 的方式,而是引入了一个新的概念 SocketChannel。它可以看作是 socket 的一个完善类,除了提供 Socket 的相关功能外,还提供了许多其他特性,如后面要讲到的向选择器注册的功能。建立连接代码实现:

// 初始化 socket,建立 socket 与 channel 的绑定关系
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// 初始化远程连接地址
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);
// I/O 处理设置阻塞,这也是默认的方式,可不设置
socketChannel.configureBlocking(true);
// 建立连接
socketChannel.connect(remote);

获取 socket 连接

因为是同样是 I/O 阻塞的实现,所以后面的关于 socket 输入输出流的处理,和上一篇的基本相同。唯一差别是,这里需要通过 channel 来获取 socket 连接。

  • 获取 socket 连接
Socket socket = socketChannel.socket();
  • 处理输入输出流
PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());
BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());

完整示例

package com.jason.network.mode.nio;

import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;

import java.io.*;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NioBlockingHttpClient {

    private SocketChannel socketChannel;
    private String host;

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        for (String host: HttpConstant.HOSTS) {

            NioBlockingHttpClient client = new NioBlockingHttpClient(host, HttpConstant.PORT);
            client.request();

        }

    }

    public NioBlockingHttpClient(String host, int port) throws IOException {
        this.host = host;
        socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
        SocketAddress remote = new InetSocketAddress(this.host, port);
        this.socketChannel.connect(remote);
    }

    public void request() throws IOException {
        PrintWriter pw = getWriter(socketChannel.socket());
        BufferedReader br = getReader(socketChannel.socket());

        pw.write(HttpUtil.compositeRequest(host));
        pw.flush();
        String msg;
        while ((msg = br.readLine()) != null){
            System.out.println(msg);
        }
    }

    private PrintWriter getWriter(Socket socket) throws IOException {
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        return new PrintWriter(out);
    }

    private BufferedReader getReader(Socket socket) throws IOException {
        InputStream in = socket.getInputStream();
        return new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
    }
}

nio 的非阻塞实现

原理分析

nio 的阻塞实现,基本与使用原生的 socket 类似,没有什么特别大的差别。

我们主要观察图中的前三种 I/O 模型,关于异步 I/O,一般需要依靠操作系统的支持,这里不讨论。

  • 第一阶段:等待数据就绪;
  • 第二阶段:将已就绪的数据从内核缓冲区拷贝到用户空间;

这里产生了一个从内核到用户空间的拷贝,主要是为了系统的性能优化考虑。假设,从网卡读到的数据直接返回给用户空间,那势必会造成频繁的系统中断,因为从网卡读到的数据不一定是完整的,可能断断续续的过来。通过内核缓冲区作为缓冲,等待缓冲区有足够的数据,或者读取完结后,进行一次的系统中断,将数据返回给用户,这样就能避免频繁的中断产生。

了解了 I/O 阻塞的两个阶段,下面我们进入正题。看看一个线程是如何实现同时处理多个 I/O 调用的。从上图中的非阻塞 I/O 可以看出,仅仅只有第二阶段需要阻塞,第一阶段的数据等待过程,我们是不需要关心的。不过该模型是频繁地去检查是否就绪,造成了 CPU 无效的处理,反而效果不好。如果有一种类似的好莱坞原则— “不要给我们打电话,我们会打给你” 。这样一个线程可以同时发起多个 I/O 调用,并且不需要同步等待数据就绪。在数据就绪完成的时候,会以事件的机制,来通知我们。这样不就实现了单线程同时处理多个 IO 调用的问题了吗?即所说的“I/O 多路复用模型”。


废话讲了一大堆,下面就来实际操刀一下。

创建选择器

由上面分析可以,我们得有一个选择器,它能监听所有的 I/O 操作,并且以事件的方式通知我们哪些 I/O 已经就绪了。

代码如下:

import java.nio.channels.Selector;

...

private static Selector selector;
static {
    try {
        selector = Selector.open();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

创建非阻塞 I/O

下面,我们来创建一个非阻塞的 SocketChannel,代码与阻塞实现类型,唯一不同是 socketChannel.configureBlocking(false)

注意:只有在 socketChannel.configureBlocking(false)之后的代码,才是非阻塞的,如果 socketChannel.connect()在设置非阻塞模式之前,那么连接操作依旧是阻塞调用的。

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
// 设置非阻塞模式
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(remote);

建立选择器与 socket 的关联

选择器与 socket 都创建好了,下一步就是将两者进行关联,好让选择器和监听到 Socket 的变化。这里采用了以 SocketChannel 主动注册到选择器的方式进行关联绑定,这也就解释了,为什么不直接 newSocket(),而是以 SocketChannel的方式来创建 socket。

代码如下:

socketChannel.register(selector,
                        SelectionKey.OP_CONNECT
                        | SelectionKey.OP_READ
                        | SelectionKey.OP_WRITE);

上面代码,我们将 socketChannel 注册到了选择器中,并且对它的连接、可读、可写事件进行了监听。

具体的事件监听类型如下:

操作类型

描述

所属对象

OP_READ

1 << 0

读操作

SocketChannel

OP_WRITE

1 << 2

写操作

SocketChannel

OP_CONNECT

1 << 3

连接socket操作

SocketChannel

OP_ACCEPT

1 << 4

接受socket操作

ServerSocketChannel

选择器监听 socket 变化

现在,选择器已经与我们关心的 socket 进行了关联。下面就是感知事件的变化,然后调用相应的处理机制。

这里与 Linux 下的 selector 有点不同,nio 下的 selecotr 不会去遍历所有关联的 socket。我们在注册时设置了我们关心的事件类型,每次从选择器中获取的,只会是那些符合事件类型,并且完成就绪操作的 socket,减少了大量无效的遍历操作。

public void select() throws IOException {    // 获取就绪的 socket 个数    while (selector.select() > 0){
        // 获取符合的 socket 在选择器中对应的事件句柄 key        Set keys = selector.selectedKeys();
        // 遍历所有的key        Iterator it = keys.iterator();        while (it.hasNext()){
            // 获取对应的 key,并从已选择的集合中移除            SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();            it.remove();
            if (key.isConnectable()){                // 进行连接操作                connect(key);            }            else if (key.isWritable()){                // 进行写操作                write(key);            }            else if (key.isReadable()){                // 进行读操作                receive(key);            }        }    }}

注意:这里的 selector.select()是同步阻塞的,等待有事件发生后,才会被唤醒。这就防止了 CPU 空转的产生。当然,我们也可以给它设置超时时间, selector.select(longtimeout)来结束阻塞过程。

处理连接就绪事件

下面,我们分别来看下,一个 socket 是如何来处理连接、写入数据和读取数据的(这些操作都是阻塞的过程,只是我们将等待就绪的过程变成了非阻塞的了)。

处理连接代码:

// SelectionKey 代表 SocketChannel 在选择器中注册的事件句柄
private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
    // 获取事件句柄对应的 SocketChannel
    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

   // 真正的完成 socket 连接
    channel.finishConnect();

   // 打印连接信息
    InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
    String host = remote.getHostName();
    int port = remote.getPort();
    System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!", host, port));
}

处理写入就绪事件

// 字符集处理类
private Charset charset = Charset.forName("utf8");

private void write(SelectionKey key) throws IOException {
    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
    String host = remote.getHostName();

    // 获取 HTTP 请求,同上一篇
    String request = HttpUtil.compositeRequest(host);

    // 向 SocketChannel 写入事件
    channel.write(charset.encode(request));

    // 修改 SocketChannel 所关心的事件
    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}

这里有两个地方需要注意:

  • 第一个是使用 channel.write(charset.encode(request)); 进行数据写入。有人会说,为什么不能像上面同步阻塞那样,通过 PrintWriter包装类进行操作。因为 PrintWriterwrite() 方法是阻塞的,也就是说要等数据真正从 socket 发送出去后才返回。

这与我们这里所讲的阻塞是不一致的,这里的操作虽然也是阻塞的,但它发生的过程是在数据从用户空间到内核缓冲区拷贝过程。至于系统将缓冲区的数据通过 socket 发送出去,这不在阻塞范围内。也解释了为什么要用 Charset 对写入内容进行编码了,因为缓冲区接收的格式是 ByteBuffer

  • 第二,选择器用来监听事件变化的两个参数是 interestOpsreadyOps
    • interestOps:表示 SocketChannel 所关心的事件类型,也就是告诉选择器,当有这几种事件发生时,才来通知我。这里通过 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);告诉选择器,之后我只关心“读就绪”事件,其他的不用通知我了。
    • readyOps:表示 SocketChannel 当前就绪的事件类型。以 key.isReadable()为例,判断依据就是:return(readyOps()&OP_READ)!=0;

处理读取就绪事件

private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    channel.read(buffer);
    buffer.flip();
    String receiveData = charset.decode(buffer).toString();

    // 当再没有数据可读时,取消在选择器中的关联,并关闭 socket 连接
    if ("".equals(receiveData)) {
        key.cancel();
        channel.close();
        return;
    }

    System.out.println(receiveData);
}

这里的处理基本与写入一致,唯一要注意的是,这里我们需要自行处理去缓冲区读取数据的操作。首先会分配一个固定大小的缓冲区,然后从内核缓冲区中,拷贝数据至我们刚分配固定缓冲区上。这里存在两种情况:

  • 我们分配的缓冲区过大,那多余的部分以0补充(初始化时,其实会自动补0)。
  • 我们分配的缓冲去过小,因为选择器会不停的遍历。只要 SocketChannel 处理读就绪状态,那下一次会继续读取。当然,分配过小,会增加遍历次数。

最后,将一下 ByteBuffer 的结构,它主要有 position, limit,capacity 以及 mark 属性。以 buffer.flip(); 为例,讲下各属性的作用(mark 主要是用来标记之前 position 的位置,是在当前 postion 无法满足的情况下使用的,这里不作讨论)。

从图中看出,

  • 容量(capacity):表示缓冲区可以保存的数据容量;
  • 极限(limit):表示缓冲区的当前终点,即写入、读取都不可超过该重点;
  • 位置(position):表示缓冲区下一个读写单元的位置;

完整代码

package com.jason.network.mode.nio;

import com.jason.network.constant.HttpConstant;
import com.jason.network.util.HttpUtil;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioNonBlockingHttpClient {

    private static Selector selector;
    private Charset charset = Charset.forName("utf8");

    static {
        try {
            selector = Selector.open();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        NioNonBlockingHttpClient client = new NioNonBlockingHttpClient();

        for (String host: HttpConstant.HOSTS) {

            client.request(host, HttpConstant.PORT);

        }

        client.select();

    }

    public void request(String host, int port) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.socket().setSoTimeout(5000);
        SocketAddress remote = new InetSocketAddress(host, port);
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.connect(remote);
        socketChannel.register(selector,
                        SelectionKey.OP_CONNECT
                        | SelectionKey.OP_READ
                        | SelectionKey.OP_WRITE);
    }

    public void select() throws IOException {
        while (selector.select(500) > 0){
            Set keys = selector.selectedKeys();

            Iterator it = keys.iterator();

            while (it.hasNext()){

                SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();
                it.remove();

                if (key.isConnectable()){
                    connect(key);
                }
                else if (key.isWritable()){
                    write(key);
                }
                else if (key.isReadable()){
                    receive(key);
                }
            }
        }
    }

    private void connect(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        channel.finishConnect();
        InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
        String host = remote.getHostName();
        int port = remote.getPort();
        System.out.println(String.format("访问地址: %s:%s 连接成功!", host, port));
    }

    private void write(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        InetSocketAddress remote = (InetSocketAddress) channel.socket().getRemoteSocketAddress();
        String host = remote.getHostName();

        String request = HttpUtil.compositeRequest(host);
        System.out.println(request);

        channel.write(charset.encode(request));
        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    }

    private void receive(SelectionKey key) throws IOException {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();
        String receiveData = charset.decode(buffer).toString();

        if ("".equals(receiveData)) {
            key.cancel();
            channel.close();
            return;
        }

        System.out.println(receiveData);
    }
}

总结

本文从 nio 的阻塞方式讲起,介绍了阻塞 I/O 与非阻塞 I/O 的区别,以及在 nio 下是如何一步步构建一个 IO 多路复用的模型的客户端。文中需要理解的内容比较多,如果有理解错误的地方,欢迎指正~

后续

  • Netty 下的异步请求实现

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原始发表时间:2019-11-21

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