Netty解决Selector空轮询BUG的策略（图解+秒懂+史上最全）
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Netty解决Selector空轮询BUG的策略（图解+秒懂+史上最全）
Selector 的空轮询BUG
若Selector的轮询结果为空，也没有wakeup或新消息处理，则发生空轮询，CPU使用率100%。
注意：是CPU 100%，非常严重的bug。
这个臭名昭著的epoll bug，是 JDK NIO的BUG，官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7、JDK1.8版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决。该BUG以及与该BUG相关的问题单可以参见以下链接内容：
https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=2147719
https://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6403933
Netty解决空轮询的4步骤：
Netty的解决办法总览：
- 1、对Selector的select操作周期进行统计，每完成一次空的select操作进行一次计数，若在某个周期内连续发生N次空轮询，则触发了epoll死循环bug。
- 2、重建Selector，判断是否是其他线程发起的重建请求，若不是则将原SocketChannel从旧的Selector上去除注册，重新注册到新的Selector上，并将原来的Selector关闭。
Netty解决空轮询的4步骤
Netty解决空轮询的4步骤，具体如下：
第一部分：定时阻塞select(timeMillins)
- 先定义当前时间currentTimeNanos。
- 接着计算出一个执行最少需要的时间timeoutMillis。
- 定时阻塞select(timeMillins) 。
- 每次对selectCnt做++操作。
第二部分：有效IO事件处理逻辑
第三部分：超时处理逻辑
- 如果查询超时，则seletCnt重置为1。
第四步： 解决空轮询 BUG
- 一旦到达SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD这个阀值，就需要重建selector来解决这个问题。
- 这个阀值默认是512。
- 重建selector，重新注册channel通道
Netty解决空轮询的4步骤的核心代码
long time = System.nanoTime();
//调用select方法，阻塞时间为上面算出的最近一个将要超时的定时任务时间
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
//计数器加1
++selectCnt;
if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || this.wakenUp.get() || this.hasTasks() || this.hasScheduledTasks()) {
//进入这个分支，表示正常场景
//selectedKeys != 0: selectedKeys个数不为0, 有io事件发生
//oldWakenUp:表示进来时，已经有其他地方对selector进行了唤醒操作
//wakenUp.get()：也表示selector被唤醒
//hasTasks() || hasScheduledTasks()：表示有任务或定时任务要执行
//发生以上几种情况任一种则直接返回
break;
}
//此处的逻辑就是： 当前时间 - 循环开始时间 >= 定时select的时间timeoutMillis，说明已经执行过一次阻塞select(), 有效的select
if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
//进入这个分支，表示超时，属于正常的场景
//说明发生过一次阻塞式轮询, 并且超时
selectCnt = 1;
} else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 && selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
//进入这个分支，表示没有超时，同时 selectedKeys==0
//属于异常场景
//表示启用了select bug修复机制，
//即配置的io.netty.selectorAutoRebuildThreshold
//参数大于3，且上面select方法提前返回次数已经大于
//配置的阈值，则会触发selector重建
//进行selector重建
//重建完之后，尝试调用非阻塞版本select一次，并直接返回
selector = this.selectRebuildSelector(selectCnt);
selectCnt = 1;
break;
}
currentTimeNanos = time;
Netty对Selector.select提前返回的检测和处理逻辑主要在NioEventLoop.select方法中，完整的代码如下：
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
Selector selector = this.selector;
try {
//计数器置0
int selectCnt = 0;
long currentTimeNanos = System.nanoTime();
//根据注册的定时任务，获取本次select的阻塞时间
long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + this.delayNanos(currentTimeNanos);
while(true) {
//每次循环迭代都重新计算一次select的可阻塞时间
long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
//如果可阻塞时间为0，表示已经有定时任务快要超时
//此时如果是第一次循环(selectCnt=0)，则调用一次selector.selectNow，然后退出循环返回
//selectorNow方法的调用主要是为了尽可能检测出准备好的网络事件进行处理
if (timeoutMillis <= 0L) {
if (selectCnt == 0) {
selector.selectNow();
selectCnt = 1;
}
break;
}
//如果没有定时任务超时，但是有以前注册的任务（这里不限定是定时任务），
//且成功设置wakenUp为true，则调用selectNow并返回
if (this.hasTasks() && this.wakenUp.compareAndSet(false, true)) {
selector.selectNow();
selectCnt = 1;
break;
}
//调用select方法，阻塞时间为上面算出的最近一个将要超时的定时任务时间
int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
//计数器加1
++selectCnt;
if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || this.wakenUp.get() || this.hasTasks() || this.hasScheduledTasks()) {
//进入这个分支，表示正常场景
//selectedKeys != 0: selectedKeys个数不为0, 有io事件发生
//oldWakenUp:表示进来时，已经有其他地方对selector进行了唤醒操作
//wakenUp.get()：也表示selector被唤醒
//hasTasks() || hasScheduledTasks()：表示有任务或定时任务要执行
//发生以上几种情况任一种则直接返回
break;
}
//如果线程被中断，计数器置零，直接返回
if (Thread.interrupted()) {
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely because Thread.currentThread().interrupt() was called. Use NioEventLoop.shutdownGracefully() to shutdown the NioEventLoop.");
}
selectCnt = 1;
break;
}
//这里判断select返回是否是因为计算的超时时间已过，
//这种情况下也属于正常返回，计数器置1，进入下次循环
long time = System.nanoTime();
if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
//进入这个分支，表示超时，属于正常的场景
//说明发生过一次阻塞式轮询, 并且超时
selectCnt = 1;
} else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 && selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
//进入这个分支，表示没有超时，同时 selectedKeys==0
//属于异常场景
//表示启用了select bug修复机制，
//即配置的io.netty.selectorAutoRebuildThreshold
//参数大于3，且上面select方法提前返回次数已经大于
//配置的阈值，则会触发selector重建
//进行selector重建
//重建完之后，尝试调用非阻塞版本select一次，并直接返回
selector = this.selectRebuildSelector(selectCnt);
selectCnt = 1;
break;
}
currentTimeNanos = time;
}
//这种是对于关闭select bug修复机制的程序的处理，
//简单记录日志，便于排查问题
if (selectCnt > 3 && logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row for Selector {}.", selectCnt - 1, selector);
}
} catch (CancelledKeyException var13) {
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug(CancelledKeyException.class.getSimpleName() + " raised by a Selector {} - JDK bug?", selector, var13);
}
}
}
private Selector selectRebuildSelector(int selectCnt) throws IOException {
logger.warn("Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding Selector {}.", selectCnt, this.selector);
//进行selector重建
this.rebuildSelector();
Selector selector = this.selector;
//重建完之后，尝试调用非阻塞版本select一次，并直接返回
selector.selectNow();
return selector;
}
}
上面调用的this.rebuildSelector()源码如下：
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
public void rebuildSelector() {
//如果不在该线程中，则放到任务队列中
if (!this.inEventLoop()) {
this.execute(new Runnable() {
public void run() {
NioEventLoop.this.rebuildSelector0();
}
});
} else {
//否则表示在该线程中，直接调用实际重建方法
this.rebuildSelector0();
}
}
private void rebuildSelector0() {
Selector oldSelector = this.selector;
//如果旧的selector为空，则直接返回
if (oldSelector != null) {
NioEventLoop.SelectorTuple newSelectorTuple;
try {
//新建一个新的selector
newSelectorTuple = this.openSelector();
} catch (Exception var9) {
logger.warn("Failed to create a new Selector.", var9);
return;
}
int nChannels = 0;
Iterator var4 = oldSelector.keys().iterator();
//对于注册在旧selector上的所有key，依次重新在新建的selecor上重新注册一遍
while(var4.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey)var4.next();
Object a = key.attachment();
try {
if (key.isValid() && key.channel().keyFor(newSelectorTuple.unwrappedSelector) == null) {
int interestOps = key.interestOps();
key.cancel();
SelectionKey newKey = key.channel().register(newSelectorTuple.unwrappedSelector, interestOps, a);
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
((AbstractNioChannel)a).selectionKey = newKey;
}
++nChannels;
}
} catch (Exception var11) {
logger.warn("Failed to re-register a Channel to the new Selector.", var11);
if (a instanceof AbstractNioChannel) {
AbstractNioChannel ch = (AbstractNioChannel)a;
ch.unsafe().close(ch.unsafe().voidPromise());
} else {
NioTask<SelectableChannel> task = (NioTask)a;
invokeChannelUnregistered(task, key, var11);
}
}
}
//将该NioEventLoop关联的selector赋值为新建的selector
this.selector = newSelectorTuple.selector;
this.unwrappedSelector = newSelectorTuple.unwrappedSelector;
try {
//关闭旧的selector
oldSelector.close();
} catch (Throwable var10) {
if (logger.isWarnEnabled()) {
logger.warn("Failed to close the old Selector.", var10);
}
}
if (logger.isInfoEnabled()) {
logger.info("Migrated " + nChannels + " channel(s) to the new Selector.");
}
}
}
}
Netty空轮询的阈值配置
Netty在NioEventLoop中考虑了这个问题，并通过在select方法不正常返回（Netty源码注释称其为prematurely，即提前返回）超过一定次数时重新创建新的Selector来修复此bug。
Netty提供了配置参数io.netty.selectorAutoRebuildThreshold供用户定义select创建新Selector提前返回的次数阈值，超过该次数则会触发Selector自动重建，默认为512。
但是如果指定的io.netty.selectorAutoRebuildThreshold小于3在Netty中被视为关闭了该功能。
public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop {
private static final int SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD;
static {
//......省略部分代码
int selectorAutoRebuildThreshold = SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.selectorAutoRebuildThreshold", 512);
if (selectorAutoRebuildThreshold < 3) {
selectorAutoRebuildThreshold = 0;
}
SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD = selectorAutoRebuildThreshold;
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("-Dio.netty.noKeySetOptimization: {}", DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION);
logger.debug("-Dio.netty.selectorAutoRebuildThreshold: {}", SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD);
}
}
}
参考文献：
https://www.jianshu.com/p/b1ba37b6563b
https://blog.csdn.net/zhengchao1991/article/details/106534280
