Java NIO原理分析與基本使用
- 零下一度原創
- 2017-06-27 10:18:371729瀏覽
Java NIO原理分析
這裡主要圍繞著Java NIO展開，從Java NIO的基本使用，到介紹Linux下NIO API，再到Java Selector其底層的實作原理。
Java NIO基本上使用
Linux下的NIO系統呼叫介紹
Selector原理
Channel與Buffer之間的堆外記憶體
#Java NIO基本上使用
從JDK NIO文件裡面可以發現， Java將其分割成了三大塊：Channel，Buffer#以及多路復用Selector。 Channel的存在，封裝了對什麼實體的連接通道（如網絡/文件）；Buffer封裝了對資料的緩衝存儲，最後對於Selector則是提供了一種可以以單線程非阻塞的方式，來處理多個連接。
基本應用範例
NIO的基本步驟是，建立Selector和ServerSocketChannel，然後註冊channel的ACCEPT事件，呼叫select方法，等待連線的到來，以及接收連線後將其註冊到Selector中。下面的為Echo Server的範例：
public class SelectorDemo {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel socketChannel = ServerSocketChannel.open();
socketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
int ready = selector.select();
if (ready == 0) {
continue;
} else if (ready < 0) {
break;
}
Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel accept = channel.accept();
if (accept == null) {
continue;
}
accept.configureBlocking(false);
accept.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 读事件
deal((SocketChannel) key.channel(), key);
} else if (key.isWritable()) {
// 写事件
resp((SocketChannel) key.channel(), key);
}
// 注：处理完成后要从中移除掉
iterator.remove();
}
}
selector.close();
socketChannel.close();
}
private static void deal(SocketChannel channel, SelectionKey key) throws IOException {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ByteBuffer responseBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int read = channel.read(buffer);
if (read > 0) {
buffer.flip();
responseBuffer.put(buffer);
} else if (read == -1) {
System.out.println("socket close");
channel.close();
return;
}
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
key.attach(responseBuffer);
}
private static void resp(SocketChannel channel, SelectionKey key) throws IOException {
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
buffer.flip();
channel.write(buffer);
if (!buffer.hasRemaining()) {
key.attach(null);
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
}
}
Linux下的NIO系統呼叫介紹
在Linux環境下，提供了幾種方式可以實作NIO，如epoll，poll，select等。對於select/poll，每次調用，都是從外部傳入FD和監聽事件，這就導致每次調用的時候，都需要將這些資料從用戶態複製到內核態，就導致了每次調用代價比較大，而且每次從select/poll回傳回來，都是全量的數據，需要自行去遍歷檢查哪些是READY的。對於epoll，則為增量式的，系統內部維護了所需的FD和監聽事件，要註冊的時候，調用epoll_ctl即可，而每次調用，不再需要傳入了，返回的時候，只返回READY的監聽事件和FD。下面作個簡單的偽代碼：
具體的可以看以前的文章：
// 1. 创建server socket
// 2. 绑定地址
// 3. 监听端口
// 4. 创建epoll
int epollFd = epoll_create(1024);
// 5. 注册监听事件
struct epoll_event event;
event.events = EPOLLIN | EPOLLRDHUP | EPOLLET;
event.data.fd = serverFd;
epoll_ctl(epollFd, EPOLL_CTL_ADD, serverFd, &event);
while(true) {
readyNums = epoll_wait( epollFd, events, 1024, -1 );
if ( readyNums < 0 )
{
printf("epoll_wait error\n");
exit(-1);
}
for ( i = 0; i < readyNums; ++i)
{
if ( events[i].data.fd == serverFd )
{
clientFd = accept( serverFd, NULL, NULL );
// 注册监听事件
...
}else if ( events[i].events & EPOLLIN )
{
// 处理读事件
}else if ( events[i].events & EPOLLRDHUP )
{
// 关闭连接事件
close( events[i].data.fd );
}
}Selector原理
SelectionKey
從Java頂層使用者角度來看， channel透過註冊，返回SelectionKey，而Selector.select方法，也是透過返回SelectionKey來使用。那這裡為什麼會需要這個類別呢？這個類別有什麼作用？無論是任何語言，其實都脫離不了系統底層的支持，透過上述Linux下的基本應用，可以知道，透過系統調用，向其傳遞和返回的都是FD以及事件這些參數，那麼站在設計角度來看，就需要有一個映射關係，使得可以關聯起來，這裡有Channel封裝的是通過，如果將READY事件這些參數放在裡面，不太合適，這個時候，SelectionKey出現了，在SelectionKey內部，保存Channel的引用以及一些事件訊息，然後Selector透過FD找到SelectionKey來進行關聯。在底層EP裡面，就有一個屬性：Map<Integer,SelectionKeyImpl> fdToKey。 <h3>EPollSelectorImpl</h3><p>在Linux 2.6+版本，Java NIO採用的epoll（即<code>EPollSelectorImpl類別），對於2.4.x的，則使用poll（即 PollSelectorImpl類別）,這裡以epoll為例。
select方法
頂層Selector，透過呼叫select方法，最終會呼叫到EPollSelectorImpl.doSelect方法，透過該方法，可以看到，其首先會處理一些不再註冊的事件，呼叫pollWrapper.poll(timeout);，然後再進行一次清理，最後，可以看到需要處理映射關係
protected int doSelect(long timeout)
throws IOException
{
if (closed)
throw new ClosedSelectorException();
// 处理一些不再注册的事件
processDeregisterQueue();
try {
begin();
pollWrapper.poll(timeout);
} finally {
end();
}
// 再进行一次清理
processDeregisterQueue();
int numKeysUpdated = updateSelectedKeys();
if (pollWrapper.interrupted()) {
// Clear the wakeup pipe
pollWrapper.putEventOps(pollWrapper.interruptedIndex(), 0);
synchronized (interruptLock) {
pollWrapper.clearInterrupted();
IOUtil.drain(fd0);
interruptTriggered = false;
}
}
return numKeysUpdated;
}
private int updateSelectedKeys() {
int entries = pollWrapper.updated;
int numKeysUpdated = 0;
for (int i=0; i<entries; i++) {
// 获取FD
int nextFD = pollWrapper.getDescriptor(i);
// 根据FD找到对应的SelectionKey
SelectionKeyImpl ski = fdToKey.get(Integer.valueOf(nextFD));
// ski is null in the case of an interrupt
if (ski != null) {
// 找到该FD的READY事件
int rOps = pollWrapper.getEventOps(i);
if (selectedKeys.contains(ski)) {
// 将底层的事件转换为Java封装的事件,SelectionKey.OP_READ等
if (ski.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, ski)) {
numKeysUpdated++;
}
} else {
// 没有在原有的SelectedKey里面，说明是在等待过程中加入的
ski.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, ski);
if ((ski.nioReadyOps() & ski.nioInterestOps()) != 0) {
// 需要更新selectedKeys集合
selectedKeys.add(ski);
numKeysUpdated++;
}
}
}
}
// 返回Ready的Channel个数
return numKeysUpdated;
}EPollArrayWrapper
#EpollArrayWrapper封裝了底層的呼叫，裡麵包含幾個native方法，如：
private native int epollCreate();
private native void epollCtl(int epfd, int opcode, int fd, int events);
private native int epollWait(long pollAddress, int numfds, long timeout,
int epfd) throws IOException;在openjdk的native目錄（native/sun/nio/ch）裡面可以找到對應的實作EPollArrayWrapper.c。
（這裡順帶提一下，要實作native方法，可以在類別裡的方法加上native關鍵字，然後編譯成class文件，再轉換輸出.h，c/c++底層實作該頭檔的方法，編譯成so函式庫，放到對應目錄即可）
在初始化檔方法裡面，可以看到，是透過動態解析載入進來的，最後呼叫的epoll_create等方法。
JNIEXPORT void JNICALL
Java_sun_nio_ch_EPollArrayWrapper_init(JNIEnv *env, jclass this)
{
epoll_create_func = (epoll_create_t) dlsym(RTLD_DEFAULT, "epoll_create");
epoll_ctl_func = (epoll_ctl_t) dlsym(RTLD_DEFAULT, "epoll_ctl");
epoll_wait_func = (epoll_wait_t) dlsym(RTLD_DEFAULT, "epoll_wait");
if ((epoll_create_func == NULL) || (epoll_ctl_func == NULL) ||
(epoll_wait_func == NULL)) {
JNU_ThrowInternalError(env, "unable to get address of epoll functions, pre-2.6 kernel?");
}
}Channel和Buffer之間的堆外內存
經常會聽見別人說，堆外內存容易洩漏，以及Netty框架裡面採用了堆外內存，減少拷貝提高性能。那麼這裡面的堆外記憶體指的是什麼?之前懷著一個好奇心，透過read方法，最後追蹤到SocketChannelImpl裡面read方法，裡面呼叫了IOUtil的read方法。裡面會先判斷傳入的Buffer是不是DirectBuffer，如果不是（則是HeapByteBuffer），則會建立一個暫時的DirectBuffer，然後再複製到堆內。 IOUtil.read方法：
static int read(FileDescriptor var0, ByteBuffer var1, long var2, NativeDispatcher var4, Object var5) throws IOException {
if(var1.isReadOnly()) {
throw new IllegalArgumentException("Read-only buffer");
} else if(var1 instanceof DirectBuffer) {
// 为堆外内存，则直接读取
return readIntoNativeBuffer(var0, var1, var2, var4, var5);
} else {
// 为堆内内存，先获取临时堆外内存
ByteBuffer var6 = Util.getTemporaryDirectBuffer(var1.remaining());
int var8;
try {
// 读取到堆外内存
int var7 = readIntoNativeBuffer(var0, var6, var2, var4, var5);
var6.flip();
if(var7 > 0) {
// 复制到堆内
var1.put(var6);
}
var8 = var7;
} finally {
// 释放临时堆外内存
Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(var6);
}
return var8;
}
}这里有一个问题就是，为什么会需要DirectBuffer以及堆外内存？通过对DirectByteBuffer的创建来分析，可以知道，通过unsafe.allocateMemory(size);来分配内存的，而对于该方法来说，可以说是直接调用malloc返回，这一块内存是不受GC管理的，也就是所说的：堆外内存容易泄漏。但是对于使用DirectByteBuffer来说，会创建一个Deallocator，注册到Cleaner里面，当对象被回收的时候，则会被直接，从而释放掉内存，减少内存泄漏。要用堆外内存，从上面的创建来看，堆外内存创建后，以long型地址保存的，而堆内内存会受到GC影响，对象会被移动，如果采用堆内内存，进行系统调用的时候，那么GC就需要停止，否则就会有问题，基于这一点，采用了堆外内存（这一块参考了R大的理解：）。
注：堆外内存的创建（unsafe.cpp）：
// 仅仅作了对齐以及将长度放在数组前方就返回了
UNSAFE_ENTRY(jlong, Unsafe_AllocateMemory(JNIEnv *env, jobject unsafe, jlong size))
UnsafeWrapper("Unsafe_AllocateMemory");
size_t sz = (size_t)size;
if (sz != (julong)size || size < 0) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException());
}
if (sz == 0) {
return 0;
}
sz = round_to(sz, HeapWordSize);
void* x = os::malloc(sz);
if (x == NULL) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_OutOfMemoryError());
}
//Copy::fill_to_words((HeapWord*)x, sz / HeapWordSize);
return addr_to_java(x);
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