NIO笔记04-网络编程

齐 飞2024-09-05 9:50

文章目录

1 非阻塞 vs 阻塞 ★★★

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

代码示例：

服务器端

java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程
    // 0. ByteBuffer
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
    // 1. 创建了服务器
    ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();

    // 2. 绑定监听端口，便于客户端建立连接发送数据给服务器。
    ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));

    // 3. 连接集合
    List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
    while (true) {
        // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信
        log.debug("connecting...");
        //Channel是数据读写的通道
        /**
         * 该函数用于在给定的channel上接受一个连接请求，返回一个新的SocketChannel对象，该对象表示与客户端的连接。具体来说：
         * channel.accept()是一个阻塞操作，它会一直等待直到有客户端发起连接请求。
         * 当有客户端连接时，服务器端会返回一个新的SocketChannel对象sc，该对象与客户端的连接相关联。
         * 通过SocketChannel对象，可以进行读写操作，与客户端进行数据传输。
         * SocketChannel还可以用于配置连接的参数，如设置非阻塞模式、选择器等。
         * 总之，SocketChannel sc = channel.accept()是服务器端用于接受客户端连接请求的关键代码，通过它建立与客户端的连接，并进行后续的数据传输操作
         */
        SocketChannel sc = ssc.accept(); // accept()会阻塞方法，线程进入堵塞状态
        log.debug("connected... {}", sc);
        channels.add(sc);
        for (SocketChannel channel : channels) {
            // 5. 接收客户端发送的数据
            log.debug("before read... {}", channel);
            channel.read(buffer); // 阻塞方法，线程进入堵塞状态，等待客户端发送数据
            buffer.flip();
            debugRead(buffer);
            buffer.clear();
            log.debug("after read...{}", channel);
        }
    }
}

以上代码还需要改进，因为如果在客户端长时间不发生数据时，还是会不断进行循环，造成cpu资源的浪费。

客户端

java 复制代码 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        SocketAddress address = sc.getLocalAddress();
        System.out.println("waiting...");
//        sc.close();
    }

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）

代码示例：

java 复制代码 
public static void main(String[] args) throws IOException {
       // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
       Selector selector = Selector.open();
       ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
       ssc.configureBlocking(false);
       // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
       // SelectionKey：将来事件发生后，通过它可以知道是哪个channel的事件
       SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
       // SelectionKey.OP_ACCEPT：key 只关注 accept 事件
       // ssc.register()中第二个入参为0表示不关注任何事件
       sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
       log.debug("sscKey:{}", sscKey);
       ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
       while (true) {
           // 3. select()方法：没有事件发生，线程阻塞。有事件，线程才会恢复运行
           // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
           // 如：不进行channel.accept()操作，则一直为未处理事件，线程会一直运行不阻塞
           selector.select();
           // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
           // selector.selectedKeys()拿到所有发生的读写连接的事件集合
           Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();// accept, read
           while (iter.hasNext()) {
               //其实就是ServerSocketChannel.register()注册的SelectionKey
               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();
               log.debug("key: {}", key);
               ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
               SocketChannel sc = channel.accept();
//                key.cancel();//取消事件(将未处理的事件取消，不让事件未处理导致线程一直运行)
               sc.configureBlocking(false);//设置为非阻塞，配置Selector使用

               //将SocketChannel注册到Selector
               SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
               scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
               log.debug("{}", sc);
               log.debug("scKey:{}", scKey);
           }
       }
   }

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
  • 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

2 Selector

使用selector的好处

  • 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

创建

java 复制代码 
Selector selector = Selector.open();

绑定 Channel 事件

也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关注

java 复制代码 
channel.configureBlocking(false);//将 channel 设置为非阻塞模式。这意味着后续对该通道的操作（如读写操作）不会阻塞当前线程。
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

selector管理多个channel，并且它能管理监测这些 channel上有没有这些事件(连接事件、可读事件等)，然后线程会获取并处理这些事件。

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

java 复制代码 
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）

java 复制代码 
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

java 复制代码 
int count = selector.selectNow();

💡 select 何时不阻塞

  1. 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
  2. 调用 selector.wakeup()
  3. 调用 selector.close()
  4. selector 所在线程 interrupt

3 处理 accept 事件

代码示例：

服务器端

java 复制代码 
@Slf4j
public class ChannelDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) {
            channel.bind(new InetSocketAddress(8080));
            System.out.println(channel);
            Selector selector = Selector.open();
            channel.configureBlocking(false);
            channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            while (true) {
                int count = selector.select();
//                int count = selector.selectNow();
                log.debug("select count: {}", count);
//                if(count <= 0) {
//                    continue;
//                }

                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

                // 遍历所有事件，逐一处理
                Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
                while (iter.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iter.next();
                    // 判断事件类型
                    if (key.isAcceptable()) {
                        ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        // 必须处理
                        SocketChannel sc = c.accept();
                        log.debug("{}", sc);
                    }
                    // 处理完毕，必须将事件移除
                    iter.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端

java 复制代码 
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) {
            System.out.println(socket);
            socket.getOutputStream().write("world".getBytes());
            System.in.read();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

💡 事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

4 处理 read 事件

处理添加区分事件类型，客户端发送数据时会报空指针问题

手动删除SelectionKey中的处理过的事件元素

代码示例：

java 复制代码 
   public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
        // SelectionKey：将来事件发生后，通过它可以知道是哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // SelectionKey.OP_ACCEPT：key 只关注 accept 事件
        // ssc.register()中第二个入参为0表示不关注任何事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("sscKey:{}", sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while (true) {
            // 3. select 方法：没有事件发生，线程阻塞。有事件，线程才会恢复运行
            // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
            // 如：不进行channel.accept()操作，则一直为未处理事件，线程会一直运行不阻塞
            selector.select();
            // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
            // selector.selectedKeys()拿到所有发生的读写连接的事件集合
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                //其实就是ServerSocketChannel.register()注册的SelectionKey
                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();
                log.debug("key: {}", key);
                // 5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept （新的客户端连接）
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();//执行后并不会删除该SelectionKey，而是修改状态为已处理
                    sc.configureBlocking(false);

                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}", sc);
                    log.debug("scKey:{}", scKey);
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read（客户端发送数据）
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                    channel.read(buffer); // 如果是正常断开，read 的方法的返回值是 -1
                    buffer.flip();
                    debugAll(buffer);
                }
            }
        }
    }

代码运行解析

  1. 首先当调用ServerSocketChannel.register()时，会创建SelectionKey注册到selector集合中。
  2. 在SelectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT)中让key关注accept事件，并且管理的是该ServerSocketChannel上的事件
  3. 向下执行到selector.select()因为没有事件所以进行阻塞。
  4. 当发现新的事件时会创建一个新的集合selectedKeys(发生事件的key会被填充到selectedKeys中)
    注意：selectedKeys只会向其中添加元素，并不会主动的删除元素
  5. 当事件被处理(如使用了ServerSocketChannel.accept())，执行后并不会删除该SelectionKey，而是修改状态为已处理
  6. 当调用SocketChannel.register()时，注册到selector集合中。
  7. 当调用SelectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ)关注read事件，并且管理的是该SocketChannel上的事件
  8. 此时客户端发送数据时会将事件加入到selectedKeys中，并且会在selectedKeys中拿去所以的元素
  9. 此时因为刚刚客户端的连接，存储在selectedKeys的元素没有被删除，所以就被取出来了。
  10. 但是又因为被处理过了，所以此时调用SelectionKey.channel().accept()返回的为空，所以会报错空指针
  11. 所以要手动删除key(Selector.selectedKeys().iterator().remove())

💡 为何要 iter.remove()

因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如

  • 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
  • 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常

💡 cancel 的作用

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

处理客户端关闭连接导致服务器端报错问题

1.客户端非正常断开(突然宕机)

使用try catch抓住因为客户端断开导致的服务器端的报错异常，使用SelectionKey.cancel();进行删除。

java 复制代码 
try {
    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
    int read = channel.read(buffer);
    // 如果客户端是正常断开，read 的方法的返回值是 -1
    if(read == -1) {
        key.cancel();
    } else {
        buffer.flip();
        System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer));
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
    // 处理客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）
    key.cancel();
}

2.客户端正常断开(主动调用了SocketChannel.close()方法)

java 复制代码 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
        // SelectionKey：将来事件发生后，通过它可以知道是哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // SelectionKey.OP_ACCEPT：key 只关注 accept 事件
        // ssc.register()中第二个入参为0表示不关注任何事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("sscKey:{}", sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while (true) {
            // 3. select 方法：没有事件发生，线程阻塞。有事件，线程才会恢复运行
            // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
            // 如：不进行channel.accept()操作，则一直为未处理事件，线程会一直运行不阻塞
            selector.select();
            // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
            // selector.selectedKeys()拿到所有发生的读写连接的事件集合
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();// accept, read
            while (iter.hasNext()) {
                //其实就是ServerSocketChannel.register()注册的SelectionKey
                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();
                log.debug("key: {}", key);
                // 5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept （新的客户端连接）
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();//执行后并不会删除该SelectionKey，而是修改状态为已处理
                    sc.configureBlocking(false);

                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}", sc);
                    log.debug("scKey:{}", scKey);
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read（客户端发送数据）
                    try {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
                        int read = channel.read(buffer);
                        // 如果客户端是正常断开，read 的方法的返回值是 -1
                        if(read == -1) {
                            key.cancel();
                        } else {
                            buffer.flip();
//                            debugAll(buffer);
                            System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer));
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 处理客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
    }

消息边界问题(发送的消息长度大于ByteBuffer.allocate()设置的长度)

  1. 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
  2. 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
  3. 使用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

因为发送的消息长度大于ByteBuffer.allocate()设置的长度，所以会分多次读取。代码如下：

java 复制代码 
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss=new ServerSocket(9000);
        while (true) {
            Socket s = ss.accept();
            InputStream in = s.getInputStream();
            byte[] arr = new byte[4];
            while(true) {
                int read = in.read(arr);
                if(read == -1) {
                    break;
                }
                System.out.println(new String(arr, 0, read));
            }
        }
    }
}
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket max = new Socket("localhost", 9000);
        OutputStream out = max.getOutputStream();
        out.write("hello".getBytes());
        out.write("world".getBytes());
        out.write("你好".getBytes());
        max.close();
    }
}

ByteBuffer 大小分配(ByteBuffer扩容)

  • 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
  • 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 http://tutorials.jenkov.com/java-performance/resizable-array.html
    • 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。

因为一个ByteBuffer最好对应一个SocketChannel方便使用，而一个SelectionKey对应一个SocketChannel，所以可以利用这点进行关联

netty中会根据实际情况增大缩小ByteBuffer

服务器端

java 复制代码 
    /**
     * 解决客户端发送的数据大于ByteBuffer的容量的问题
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. 创建 selector, 管理多个 channel
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册）
        // SelectionKey：将来事件发生后，通过它可以知道是哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        // SelectionKey.OP_ACCEPT：key 只关注 accept 事件
        // ssc.register()中第二个入参为0表示不关注任何事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        log.debug("sscKey:{}", sscKey);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while (true) {
            // 3. select 方法：没有事件发生，线程阻塞。有事件，线程才会恢复运行
            // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
            // 如：不进行channel.accept()操作，则一直为未处理事件，线程会一直运行不阻塞
            selector.select();
            // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件
            // selector.selectedKeys()拿到所有发生的读写连接的事件集合
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();// accept, read
            while (iter.hasNext()) {
                //其实就是ServerSocketChannel.register()注册的SelectionKey
                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();
                log.debug("key: {}", key);
                // 5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept （新的客户端连接）
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();//执行后并不会删除该SelectionKey，而是修改状态为已处理
                    sc.configureBlocking(false);
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                    //将-个byteBuffer作为附件关联到selectionKey上
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    log.debug("{}", sc);
                    log.debug("scKey:{}", scKey);
                } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read（客户端发送数据）
                    try {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel
                        //获版 SelectionKey 上关联的附件
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        int read = channel.read(buffer);
                        // 如果客户端是正常断开，read 的方法的返回值是 -1
                        if(read == -1) {
                            key.cancel();
                        } else {
//                            buffer.flip();
//                            debugAll(buffer);
                            split(buffer);
                            // 如果方法中进行了compact()操作，buffer还是满了，则需要扩容
                            if(buffer.position() == buffer.limit()){
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
                                buffer.flip();
                                newBuffer.put(buffer);//将旧的buffer的数据复制到新的buffer中
                                key.attach(newBuffer);
                            }
//                            System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer));
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        // 处理客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key）
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
    }

    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 ByteBuffer
                ByteBuffer 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();
    }

客户端

java 复制代码 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        SocketAddress address = sc.getLocalAddress();

//        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
//        sc.write(buffer);

//        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdefzzzz\n"));
        System.out.println("waiting...");
//        sc.close();
    }

5 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

服务器端向客户端发送超大量数据，导致服务器发送数据时缓冲区是满的，导致无法发送数据。使得int write = sc.write(buffer);中返回为0

改进代码：让服务器端发送数据缓冲区满了时，进行读操作

服务器端

java 复制代码 
/**
 * 写入内容过多问题
 */
public class WriteServer {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector selector = Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while (true) {
            selector.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    //省略ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    //SocketChannel不能直接获得，因为ServerSocketChannel只有一个，而SocketChannel有多个
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey sckey = sc.register(selector, 0, null);
                    sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    // 1. 向客户端发送大量数据
                    StringBuilder sb = new StringBuilder();
                    for (int i = 0; i < 30000000; i++) {
                        sb.append("a");
                    }
                    ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());

                    // 2. 返回值代表实际写入的字节数
//                    while (buffer.hasRemaining()){
//                        int write = sc.write(buffer);
//                        System.out.println(write);
                    // 会出现很多次write为0的情况，原因是缓冲区已经满了无法再进行写入
//                    }
                    //向客户端发送一次数据
                    int write = sc.write(buffer);
                    System.out.println(write);

                    // 3. 判断是否有剩余内容(实现服务器端在发送大量数据时阻塞，进行其他的事件)
                    if (buffer.hasRemaining()) {
                        // 4. 关注可写事件
                        //拿到原来和关注事件和读事件一起进行关注，只加入读事件会覆盖之前的关注的事件
                        sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
                        //sckey.interestOps(sckey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);//也可以使用位运算符，添加需要关注的多个事件
                        // 5. 把服务器端向客户端未写完的数据挂到 sckey 上
                        sckey.attach(buffer);
                    }
                } else if (key.isWritable()) {
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                    int write = sc.write(buffer);
                    System.out.println(write);
                    //然后本次也没有发送完所有数据给客户端，因为SelectionKey已经关注了可写事件，下次可写时会再次触发
                    // 6. 清理SelectionKey上附件操作
                    if (!buffer.hasRemaining()) {
                        key.attach(null); // 需要清除buffer
                        key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);//不需关注可写事件
                    }
                }
            }
        }
    }
}

客户端

java 复制代码 
public class WriteClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));

        // 3. 接收数据
        int count = 0;
        while (true) {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);
            count += sc.read(buffer);
            System.out.println(count);
            buffer.clear();
        }
    }
}

💡 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

6 多线程优化

💡 利用多线程优化

现在服务器都是多核 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
    模拟netty的设计思路
java 复制代码 
/**
 * boss负责接受连接
 * worker负责连接读写操作
 */
@Slf4j
public class MultiThreadServer {

    /**
     *  多worker
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Thread.currentThread().setName("boss");//修改主线程的名称为boss
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        Selector boss = Selector.open();
        SelectionKey bossKey = ssc.register(boss, 0, null);
        bossKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        // 1. 创建固定数量的 worker 并初始化
        Worker[] workers = new Worker[2];
        // 最大发挥多核cpu优势
        // 注意在docker中，使用Runtime.getRuntime().availableProcessors()拿到的是物理cpu个数，并不是docker容器申请时的个数
        // 所以建议还是直接填写个数
//        Worker[] workers = new Worker[Runtime.getRuntime().availableProcessors()];
        for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
            workers[i] = new Worker("worker-" + i);
        }
        AtomicInteger index = new AtomicInteger();
        while(true) {
            boss.select();
            Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator();
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (key.isAcceptable()) {
                    SocketChannel sc = ssc.accept();
                    sc.configureBlocking(false);
                    log.debug("connected...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // 2. 关联 selector
                    log.debug("before register...{}", sc.getRemoteAddress());
                    // 使用round robin 轮询，平均的使用到每一个worker
                    workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); // boss 调用 初始化 selector , 启动 worker-0
                    log.debug("after register...{}", sc.getRemoteAddress());
                }
            }
        }
    }

    /**
     * Worker专门负责读写事件
     * 每个Worker拥有独立的线程和selector
     */
    static class Worker implements Runnable{
        private Thread thread;
        private Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean start = false; // 还未初始化
        //使用ConcurrentLinkedQueue在两个线程之间传递数据
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        /**
         *  使用selector.wakeup()解决worker线程的selector.select()阻塞问题
         *  将selector.wakeup();放到sc.register()之前，也可以解决worker线程的selector.select()阻塞问题
         * @param sc
         * @throws IOException
         */
        public void register(SocketChannel sc) throws IOException {
            if (!start) {
                selector = Selector.open();
                thread = new Thread(this, name);
                thread.start();
                start = true;
            }
            //wakeup()方法有点像消息队列中的消息，不管worker线程的selector.select()代码先wakeup()运行还是后wakeup()运行
            // 都会唤醒select()方法
            selector.wakeup(); // 唤醒 select 方法 boss
            sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, null); // boss
        }

        @Override
        public void run() {
            while(true) {
                try {
                    selector.select(); // worker-0  select()方法：没有事件发生，线程阻塞。有事件，线程才会恢复运行
                    Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        iter.remove();
                        if (key.isReadable()) {
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                            log.debug("read...{}", channel.getRemoteAddress());
                            channel.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

客户端

java 复制代码 
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;

public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        SocketAddress address = sc.getLocalAddress();

//        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
//        sc.write(buffer);

//        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n"));
        sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdefzzzz\n"));
        System.out.println("waiting...");
//        sc.close();
    }
}

💡 如何拿到 cpu 个数

Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数。

这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启

7 UDP

  • UDP 是无连接的，client 发送数据不会管 server 是否开启
  • server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer，但如果数据报文超过 buffer 大小，多出来的数据会被默默抛弃

服务器端

java 复制代码 
public class UdpServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
            System.out.println("waiting...");
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
            channel.receive(buffer);
            buffer.flip();
            debug(buffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端

java 复制代码 
public class UdpClient {
    public static void main(String[] args) {
        try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) {
            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999);
            channel.send(buffer, address);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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