Netty——1、NIO基础
现在的互联网环境下,分布式系统大行其道,而分布式系统的根基在于网络编程,而Netty恰恰是Java领域网络编程的王者。如果要致力于开发高性能的服务器程序、高性能的客户端程序,必须掌握Netty,而本课程的目的就是带你进入基于Netty的网络编程世界。
1、三大组件
NIO(non-blocking io,非阻塞IO)。
1.1、Channel & Buffer
channel有一点类似于stream,它就是读写数据的双向通道,可以从channel将数据读入buffer,也可以将buffer的数据写入channel,而之前的stream要么是输入,要么是输出,channel比stream更为底层。
常见的Channel有:
- FileChannel;
- DatagramChannel;(UDP数据传输通道)
- SocketChannel;(TCP数据传输通道)
- ServerSocketChannel。
buffer则用来缓冲读写数据,常见的buffer有:
- ByteBuffer:MappedByteBuffer,DirectByteBuffer,HeapByteBuffer;
- ShortBuffer;
- IntBuffer;
- LongBuffer;
- FloatBuffer;
- DoubleBuffer;
- CharBuffer。
1.2、Selector
selector单从字面意思不好理解,需要结合服务器的设计演化来理解它的用途。
2、ByteBuffer
2.1、ByteBuffer的使用
- 向buffer写入数据,例如调用channel.read(buffer);
- 调用flip()切换至读模式;
- 调用clear()或compact()切换至写模式;
- 重复1-4步骤。
2.2、ByteBuffer结构
ByteBuffer有以下重要属性:
- capacity(容量);
- position(位置);
- limit(限制)。
写模式下,position是写入位置,limit等于容量capacity。flip动作发生后(切换为读模式),position切换为读取位置,limit切换为读取限制。clear动作发生后,状态position=0,limit=capacity。compact()方法,是把未读完的部分向前压缩,然后切换至写模式。
package com.clp.netty;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
@Slf4j
public class TestByteBuffer {
public static void main(String[] args) {
//File Channel
//1、输入输出流;2、RandomAccessFile
try (FileChannel channel = new FileInputStream("data.txt").getChannel()) {
//准备缓冲区
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(3); //划分10个字节
while(true) {
//从channel读取数据,写入buffer
int len = channel.read(buffer); //返回值是读到的实际字节数
log.debug("读取到的字节数{}", len);
if(len == -1) break; //没有内容了
//打印buffer的内容
buffer.flip(); //切换到buffer的读模式
while(buffer.hasRemaining()) { //若还有剩余
byte b = buffer.get();
// System.out.println((char)b);
log.debug("实际字节{}", (char)b);
}
//切换到写模式
buffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
}
}
}
package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
public class TestBufferReadWrite {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
buffer.put((byte)0x61); //十六进制97
buffer.put(new byte[]{0x62, 0x63, 0x64}); //b,c,d
System.out.println(buffer);
//System.out.println(buffer.get()); //读索引值为pos的位置的值(结果为0),同时pos还会往后移一位
System.out.println("------------");
buffer.flip(); //切换读模式
System.out.println(buffer);
System.out.println(buffer.get()); //读索引值为pos的位置的值(结果为97)
System.out.println("------------");
buffer.compact();
System.out.println(buffer);
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]
------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
97
------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=3 lim=10 cap=10]
2.3、ByteBuffer常用方法
-分配空间,可以使用allocate()方法为ByteBuffer分配空间,其他buffer类也有该方法
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(16); //堆内存
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocateDirect(16); //直接内存
堆内存:读写效率较低,受到垃圾回收的影响。
直接内存:读写效率高(少一次数据的拷贝),不会受到垃圾回收的影响,分配的效率低。
-向buffer写入数据
1、调用channel的read方法
int len = channel.read(buf); //返回值是读到的实际字节数
2、调用buffer自己的put方法
buf.put((byte)127);
-从buffer读取数据到channel
1、调用channel的write()方法
int len = channel.write(buf);
2、调用buffer自己的get()方法
byte b = buf.get();
get()方法会让position读指针向后走,如果想重复读取数据:
可以调用rewind()方法将position重新置为0;
或者调用get(int i)方法获取索引为i的内容,它不会移动指针。
-mark() 和 reset()
mark是一个标记,记录position位置,reset是将pos重置到mark位置
package com.clp.netty;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.nio.ByteBuffer;
@Slf4j
public class TestByteBuffer {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(10);
buf.put(new byte[]{'a', 'b', 'c', 'd'});
buf.flip(); //切换到读模式
//从头开始读
buf.get(new byte[4]);
System.out.println(buf);
buf.rewind(); //将pos置为0
System.out.println((char)buf.get()+" "+ buf);
buf.rewind();
//mark & reset
//mark是一个标记,记录position位置,reset是将pos重置到mark位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.mark(); //加标记,索引为2的位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.reset(); //重置到索引为2的位置
System.out.println((char)buf.get());
System.out.println((char)buf.get());
buf.rewind();
//get(i)方法。不会改变pos的值
System.out.println((char)buf.get(3)+" "+ buf);
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]
a java.nio.HeapByteBuffer[pos=1 lim=4 cap=10]
a
b
c
d
c
d
d java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]
2.4、字符串与ByteBuffer互转
package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.Charset;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class TestByteBufferString {
public static void main(String[] args) {
//1、字符串转为ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
buffer.put("hello".getBytes()); //默认操作系统的字符集,调用完之后仍为写模式
System.out.println(buffer);
String str = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
System.out.println(str); //因为没有切换回读模式,因此打印失败
buffer.flip(); //手动切换为读模式
System.out.println(buffer);
System.out.println("---------------------------");
//2、Charset
ByteBuffer buffer2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello"); //自动切换回读模式
System.out.println(buffer2);
String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer2).toString();
System.out.println(str2); //因为buffer2已经切换回读模式,因此打印成功
System.out.println("---------------------------");
//3、wrap
ByteBuffer buffer3 = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes()); //自动切换回读模式
System.out.println(buffer3);
System.out.println("---------------------------");
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=5 lim=16 cap=16]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=16 cap=16]
---------------------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]
hello
---------------------------
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]
---------------------------
2.5、Scattering Reads(分散读取)
package com.clp.netty;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class TestScatteringReads {
public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel channel = new RandomAccessFile("3parts.txt", "r").getChannel();
ByteBuffer buf1 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer buf2 = ByteBuffer.allocate(3);
ByteBuffer buf3 = ByteBuffer.allocate(5);
channel.read(new ByteBuffer[]{buf1, buf2, buf3});
buf1.flip();buf2.flip();buf3.flip(); //切换为读模式
System.out.println(buf1);
System.out.println(buf2);
System.out.println(buf3);
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=3 cap=3]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=3 cap=3]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=5 cap=5]
2.6、GatheringWrites(集中写入)
package com.clp.netty;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class TestGatheringWrites {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buf1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello"); //5B
ByteBuffer buf2 = StandardCharsets.UTF_8.encode("world"); //5B
ByteBuffer buf3 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好"); //6B
//写入
try {
FileChannel channel = new RandomAccessFile("1part.txt", "rw").getChannel();
channel.write(new ByteBuffer[]{buf1, buf2, buf3});
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
结果:(1part.txt)
helloworld你好
2.7、综合案例——黏包、半包的处理
package com.clp.netty;
import java.nio.ByteBuffer;
public class TestByteBufferExam {
public static void main(String[] args) {
/**
* 网络上有许多条数据发送给服务器,数据之间用\n进行分隔,但由于某种原因这些数据在接收时,
* 被进行了重新组合,例如原始数据有3条为:
* HelloWorld\n
* I'm zhangsan\n
* How are you\n
* 变成了下面的两个bytebuffer(黏包、半包)
* Hello World\nI'm zhangsan\nHo
* w are you\n
* 现在要求你编写程序,将错乱的信息恢复成原始的按\n分隔的数据
*/
//模拟网络编程
ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes());
split(source);
source.put("w are you?\n".getBytes());
split(source);
}
public static void split(ByteBuffer source) {
//切换成读模式
source.flip();
for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
//找到完整消息
if(source.get(i) == '\n') {
int length = i+1 - source.position();
//把这条完成消息存入新的ByteBuffer
ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
//从source读,向target写
for (int j = 0; j < length; j++) {
target.put(source.get());
}
target.flip();
System.out.println(target);
}
}
//切换成写模式
source.compact(); //将剩余部分向前移动
}
}
结果:
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=12 cap=12]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=13 cap=13]
java.nio.HeapByteBuffer[pos=0 lim=13 cap=13]
3、文件编程
3.1、FileChannel
FileChannel只能工作在阻塞模式下。
-获取FileChannel
不能直接打开FileChannel,必须通过FileInputStream、FileOutputStream或者RandomAccessFile来获取FileChannel,他们都有getChannel()方法。
通过FileInputStream获取的channel只能读;
通过FileOutputChannel获取的channel只能写;
通过RandomAccessFile是否只能读写根据构造RandomAccessFile时的读写模式决定。
-从FileChannel读取数据到ByteBuffer
会从channel读取数据填充ByteBuffer,返回值表示读到了多少字节,-1表示到达了文件的末尾。
int readBytes = channel.read(buffer);
-正确写入数据到FileChannel方式:(SocketChannel)
ByteBuffer buffer = ...
buffer.put(..); //存入数据
buffer.flip(); //切换读模式
while(buffer.hasRemaing()) { //检查buffer中是否有剩余数据
channel.write(buffer);
}
在while中调用channel.write()是因为write()方法并不能保证一次将buffer中的内容全部写入channel。
-关闭
channel必须关闭,不过调用了FileInputStream、FileOutputStream或者RandomAccessFile的close()方法回间接地调用channel地close()方法。
-位置
获取当前位置:long pos = channel.position();
设置当前位置:channel.position(newPos);
设置当前位置时,如果设置为文件的末尾:
这时读取回返回-1;
这时写入,回追加内容,但是要注意如果position超过了文件末尾,再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞(00)。
-大小
使用size()方法获取文件的大小。
-强制写入
操作系统出于性能的考虑,会将数据缓存,不是立刻写入数据,可以调用force(true)方法将文件内容和元数据(文件的权限等信息)立刻写入磁盘。
3.2、两个Channel传输数据
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
try {
FileChannel from = new FileInputStream("from.txt").getChannel();
FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
//效率高(底层利用操作系统的零拷贝进行优化),传输数据有上限(2G数据),可以多次传输来改进
long size = from.size();
for (long left = size; left>0;) {
long n = from.transferTo((size-left), left, to); //返回实际传输的字节数
left -= n;
}
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
3.3、Path
jdk7引入了Path和Paths类。
- Path用来表示文件路径;
- Paths是工具类,用来获取Path实例。
- .代表了当前路径;
- ..代表了上一级路径。
Path source = Path.get("1.txt"); //相对路径,使用user.dir环境变量来定位1.txt
Path source = Path.get("d:\\1.txt"); //绝对路径,代表了d:\1.txt
Path source = Path.get("d:/1.txt"); //绝对路径,同样代表了d:\1.txt
Path source = Path.get("d:\\data", "projects"); //代表了d:\data\projects
Path path = Path.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
path.normalize(); //正常化路径
3.4、Files
-检查文件是否存在
Path path = Paths.get("helloworld/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));
-创建一级目录
Path path = Path.get("helloworld");
Files.createDirectory(path);
如果目录已经存在,回抛异常FileAlreadyExistsException;
不能一次创建多级目录,否则会抛异常NoSuchFileException。
-创建多级目录
Path path = Paths.get(""helloworld/d1/d2");
Files.createDirectories(path);
-拷贝文件
Path source = Paths.get("helloworld/data.txt");
Path target = Paths.get("helloworld/target.txt");
Files.copy(source, target);
如果文件已经存在,会抛异常FileAlreadyExistsException;
如果希望用source覆盖target,需要用StandardCopyOption来控制:
Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);
-移动文件
Path source = Paths.get("helloworld/data.txt");
Path target = Paths.get("helloworld/data.txt");
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE保证文件移动的原子性。
-删除文件
Path target = Paths.get("helloworld/target.txt");
Files.delete(target);
如果文件不存在,会抛异常NoSunchFileException。
-删除目录
Path target = Paths.get("helloworld/d1");
Files.delete(target);
如果目录还有内容,会抛异常DirectoryNotEmptyException。
-遍历目录和文件
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//不能使用局部变量来使用,故使用AtomicInteger
AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
//从c:\\my开始遍历
Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\project"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
@Override
public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("=====>"+dir);
dirCount.incrementAndGet();
return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
}
@Override
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
//检查文件是否是以.jar结尾
if(file.toString().endsWith(".jar")) {
System.out.println(file);
}
fileCount.incrementAndGet();
return super.visitFile(file, attrs);
}
});
System.out.println("dir count:"+dirCount);
System.out.println("file count:"+fileCount);
}
}
-删除多级目录
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
import java.nio.file.attribute.BasicFileAttributes;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Files.walkFileTree(Paths.get("C:\\Drivers"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
@Override //进入目录之前
public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("====>进入"+dir);
return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
}
@Override //访问文件
public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
System.out.println("访问文件:"+file);
return super.visitFile(file, attrs);
}
@Override //退出目录之后
public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
System.out.println("====>退出"+dir);
return super.postVisitDirectory(dir, exc);
}
});
}
}
-文件夹的复制
package com.clp.netty;
import java.io.*;
import java.nio.file.*;
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
String source = "C:\\source";
String target = "C:\\target";
Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
//将target目录名替换为source目录名,返回最终的名字
String targetName = path.toString().replace(source, target);
if(Files.isDirectory(path)) {
//是目录,就创建目录
try {
Files.createDirectory(Paths.get(targetName));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}else if(Files.isRegularFile(path)) {
//是文件,就复制文件
try {
Files.copy(path, Paths.get(targetName));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
4、网络编程
4.1、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。
非阻塞:
非阻塞模式下,相关方法都不会让线程暂停。
在ServerChannel.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)。
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。
非阻塞模式:
package com.clp.netty2;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
@Slf4j
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
//*创建selector,可以管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
//使用nio来理解阻塞模式,单线程
//0、创建ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1、创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //切换成非阻塞模式,会影响accept()方法。
//*建立selector和channel的联系(注册)
//*SelectionKey就是将来事件发生后,通过它可以知道事件和哪个channel的事件
/**
* 事件:
* accept:会在有连接请求时触发
* connect:在客户端连接建立后触发
* read:可读事件
* write:可写事件
*/
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); //指明sscKey只关注accept事件
//2、绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
/**************************使用selector**************************/
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。
selector.select();
//4、处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
//selector会在发生事件后,向selectedKeys集合中加入这个key,但不会删除。
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
//遍历事件集合
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
//处理key时,要从selectedKeys集合中删除
iter.remove(); //移除这个key,不能用增强for,因为不能在遍历时删除
log.debug("key:{}", key);
//5、区分事件类型
if(key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();//建立连接
// key.cancel(); //若不想处理事件,则可以取消事件,则下次select.select()时不会阻塞
sc.configureBlocking(false);
//将sc注册到selector上,这样selector可以管理这个channel的事件
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注读事件
}else if(key.isReadable()) { //如果是read事件
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();//拿到触发事件的channel
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4);
//客户端异常/正常断开,都会产生一个读事件。
int read = channel.read(buffer1); //如果是正常断开,返回值是-1
if(read == -1) key.cancel(); //若正常断开,则将这个key从selector中取消(删除)
else {
buffer1.flip(); //切换为读模式
System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer1));
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//客户端异常/正常断开,都会产生一个读事件。
key.cancel(); //将这个key从selector中取消(删除),因为客户端关闭了
}
}
}
}
/**************************不使用selector**************************/
// //3、accept,建立与客户端的连接。
// List<SocketChannel> channels = new ArrayList<SocketChannel>();
// while(true) {
// //log.debug("connecting...");
// //accept()若为阻塞方法,意味着线程在此等待,直到连接建立以后继续执行;
// //若为非阻塞,线程还会继续执行。如果没有连接建立,则sc为null。
// SocketChannel sc = ssc.accept(); //4、SocketChannel数据读写的通道,用来与客户端进行通信
// if(sc != null) {
// log.debug("connected..");
// sc.configureBlocking(false); //非阻塞模式,会影响read()方法
// channels.add(sc);
// }
//
// //5、接收客户端发送的数据
// for(SocketChannel channel : channels) {
// //log.debug("before read...{}", channel);
// //若为阻塞方法,线程停止运行,知道客户端发送新数据才会继续执行
// //若为非阻塞方法,线程仍然会继续运行;如果没有读到数据,read返回0。
// if(channel.read(buffer)>0) {
// buffer.flip(); //切换到读模式
// System.out.println(buffer);
// buffer.clear(); //切换到写模式
// log.debug("after read...{}",channel);
// }
// }
// }
}
}
package com.clp.netty2;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
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));
System.out.println("waiting...");
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello,你好"));
}
}
4.2、Selector-绑定Channel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:服务器端成功接收连接时触发;
read:数据可读入时触发,有因为接收能力弱,数据暂时不能读入的情况;
write:数据可写入时触发,有因为发送能力弱,数据暂时不能写出的情况。
4.3、Selector-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。
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)。
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。
int count = selector.selectNow();
4.4、Selector-何时不阻塞
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,会触发多次读事件;
channel可写,会触发write事件;
在linux下nio bug发生时。
调用selector.wakeup();
调用selector.close();
selector所在线程interrupt。
4.5、处理消息的边界
- 一种思维是固定消息长度,数据包大小一样,服务器按预定长度读取,缺点是浪费带宽。
- 另一种思路是按分隔符(如"\n")拆分,缺点是效率低;
- TLV格式,即Type类型、Length长度、Value数据,类型和长度已知的情况下,就可以方便获取信息大小,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)。
package com.clp.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
@Slf4j
public class Server {
private static void split(ByteBuffer source) {
source.flip(); //开启读模式
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());
}
System.out.println(target);
}
}
source.compact(); //压缩
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
//*创建selector,可以管理多个channel
Selector selector = Selector.open();
//使用nio来理解阻塞模式,单线程
//0、创建ByteBuffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
//1、创建服务器
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //切换成非阻塞模式,会影响accept()方法。
//*建立selector和channel的联系(注册)
//*SelectionKey就是将来事件发生后,通过它可以知道事件和哪个channel的事件
/**
* 事件:
* accept:会在有连接请求时触发
* connect:在客户端连接建立后触发
* read:可读事件
* write:可写事件
*/
SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); //指明sscKey只关注accept事件
//2、绑定监听端口
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
/**************************使用selector**************************/
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。
selector.select();
//4、处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
//selector会在发生事件后,向selectedKeys集合中加入这个key,但不会删除。
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
//遍历事件集合
while(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
//处理key时,要从selectedKeys集合中删除
iter.remove(); //移除这个key,不能用增强for,因为不能在遍历时删除
log.debug("key:{}", key);
//5、区分事件类型
if(key.isAcceptable()) { //如果是accept事件
ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
SocketChannel sc = channel.accept();//建立连接
// key.cancel(); //若不想处理事件,则可以取消事件,则下次select.select()时不会阻塞
sc.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.allocate(4); //attachment:附件
//将sc注册到selector上,这样selector可以管理这个channel的事件
//将一个ByteBuffer作为附件关联到selectionKey上
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer1);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注读事件
}else if(key.isReadable()) { //如果是read事件
try {
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();//拿到触发事件的channel
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();//
//客户端异常/正常断开,都会产生一个读事件。
int read = channel.read(buf); //如果是正常断开,返回值是-1
if(read == -1) key.cancel(); //若正常断开,则将这个key从selector中取消(删除)
else {
split(buf);
if(buf.position() == buf.limit()) {
//说明buf没有被压缩,即空间不够存一个消息,需要扩容
ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buf.capacity()*2);
buf.flip(); //切换成读模式
newBuffer.put(buf); //将旧内容写入新buffer
key.attach(newBuffer); //附件替换,newBuffer替换原来的buf,达到扩容的目的
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
//客户端异常/正常断开,都会产生一个读事件。
key.cancel(); //将这个key从selector中取消(删除),因为客户端关闭了
}
}
}
}
}
}
package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
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));
sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef\n"));
System.in.read();
}
}
4.5.1、ByteBuffer大小分配
- 每一个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,不是线程安全的,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1 Tb内存,因此需要设计大小可变的ByteBuffer。
如何设计大小可变的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。
- 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。
4.6、处理可写事件
package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Iterator;
public class WriteServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.configureBlocking(false); //设置为非阻塞模式
Selector selector = Selector.open();
ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //注册并关注accept事件
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); //监听端口
while(true) {
selector.select();
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
if(iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //关注可读事件
//1、向客户端发送大量数据
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 3000000; 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
int write = sc.write(buffer);
System.out.println(write);
//判断buffer是否还有剩余内容
if(buffer.hasRemaining()) {
//既关注读事件(1),又关注写事件(4),若为5,说明既读又写事件
scKey.interestOps(scKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);
//scKey.interestOps(scKey.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
//把未写完的数据挂到scKey上
scKey.attach(buffer);
}
}else if(key.isWritable()) {
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//返回值代表实际写入的字节数
int write = sc.write(buf);
System.out.println(write);
//清理操作
if(!buf.hasRemaining()) {
//buf为空,说明写完了
key.attach(null); //清除buffer附件
key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE); //不需要再关注可写事件
}
}
}
}
}
}
package com.clp.test;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
public class WriteClient {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel sc = SocketChannel.open();
sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
//接收数据
int count = 0;
while(true) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
count += sc.read(buffer);
System.out.println(count);
buffer.clear(); //清空buffer
}
}
}
4.7、nio多线程优化
利用多线程优化:现在都是多核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。
4.7.1、如何拿到CPU个数
Runtime.getRuntime().avaliableProcessors()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UserContainerSupport配置,默认开启。
5、NIO vs BIO
5.1、stream vs channel
- stream不会自动缓冲数据,channel会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区(更为底层);
- stream仅支持阻塞API,channel同时支持阻塞、非阻塞API、网络channel可配合selector实现多路复用;
- 二者均为全双工,即读写可以同时进行。
5.2、IO模型
同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞(不存在这种情况)、异步非阻塞。
- 同步:线程自己去获取结果一个(线程);
- 异步:线程自己不去获取结果,而是由其他线程送结果(至少两个线程)。
当调用一次channel.rea()或stream.read()后,会切换至操作系统内核来完成真正数据读取,而读取又分为两个阶段,分别为:
- 等待数据阶段;
- 复制数据阶段。
5.2.1、阻塞IO
5.2.2、非阻塞IO
5.2.3、多路复用
5.2.4、信号驱动
5.3、零拷贝
传统IO问题:
传统的IO将一个文件通过socket写出。
File f = new File("helloworld/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, 'r');
byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);
Socket socket = ..;
socket.getOutputStream().write(buf);
- Java本身不具备IO读写能力,因此read()方法调用后,要从Java程序的用户态切换至核心态,去调用操作系统(Kernel)的读能力,将数据读入内核缓冲区,这期间用户线程阻塞,操作系统使用DMA(Direct Memory Access)来实现文件读,期间也不会使用CPU。
- 从内核态切换回用户态,将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区(即byte[] buf),这期间CPU会参与拷贝,无法利用DMA。
- 调用write()方法,这时将数据从用户缓冲区(byte[] buf)写入socket,CPU会参与拷贝;
- 接下来要向网卡写数据,这项能力Java又不具备,因此又得从用户态切换至核心态,嗲用操作系统的写能力,使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡,不会使用CPU。
可以看到中间环节较多,Java的IO实际不是物理设备级别的读写,而是缓存的复制,底层的读写是操作系统来完成的。
- 用户态与内核态的切换发生了3次,这个操作比较重量级;
- 数据拷贝了共4次。
5.3.1、NIO优化
1、通过DirectByteBuf
- ByteBuffer.allocate(10); //HeapBuffer,使用的还是java。
- ByteBuffer.allocateDirect(10); //DirectByteBuffer,使用的是操作系统内存。
大部分步骤与优化前相同,不再赘述,唯有一点:Java可以使用DirectByteBuf将堆外内存映射到JVM内存中来直接访问使用。
- 这块内存不受jvm垃圾回收的影响,因此内存地址固定,有助于IO读写;
- Java中的DirectByteBuf对象仅维护了此内存的虚引用,内存回收分成两步:① DirectByteBuf对象被垃圾回收,将虚引用加入引用队列;② 通过专门线程访问引用队列,根据虚引用释放堆外内存。
- 减少了一次数据拷贝,用户态与内核态的切换次数没有减少。
2、进一步优化(底层采用了linux 2.1后提供的sendFile()方法),Java中对应着两个channel调用transferTo() / transferFrom()方法拷贝数据。
- Java调用transferTo()后,要从Java程序的用户态切换至内核态,使用DMA将数据读入内核缓冲区,不会使用CPU;
- 数据从内核缓冲区传输到socket缓冲区,CPU会参与拷贝;
- 最后使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡,不会使用CPU。
可以看到
- 只发生了一次用户态与内核态的切换;
- 数据拷贝了3次。
3、进一步优化(linux 2.4)
- Java调用transferTo()后,要从Java程序的用户态切换至内核态,使用DMA将数据读入内核缓冲区,不会使用CPU;
- 只会将一些offset和length信息拷入socket缓冲区,几乎无消耗;
- 使用DMA将内核缓冲区的数据写入网卡,不会使用CPU。
整个过程仅仅发生了一次用户态与内核态的切换,数据拷贝了2次,所谓的【零拷贝】,并不是真正无拷贝,而是在不会拷贝重复数据到jvm内存中,零拷贝的优点有:
- 更少的用户态与内核态的转换;
- 不利用CPU计算,减少CPU缓存伪共享;
- 零拷贝适合小文件传输。
5.4、AIO
AIO用来解决数据复制阶段的阻塞问题。
- 同步意味着,在进行读写操作时,线程需要等待结果,还是相当于闲置;
- 异步意味着,在进行读写操作时,线程不必等待结果,而是将来由操作系统通过回调方式由另外的线程来获得结果。
异步模型需要底层操作系统(Kernel)提供支持:
- Windows系统通过IOCP实现了真正的异步IO;
- Linux系统异步IO在2.6版本引入,但其底层实现还是用多路复用模拟了异步IO,性能没有优势。