Java NIO原理分析
Java NIO原理分析
这里主要围绕着Java NIO展开，从Java NIO的基本使用，到介绍Linux下NIO API，再到Java Selector其底层的实现原理。
- Java NIO基本使用
- Linux下的NIO系统调用介绍
- Selector原理
- Channel和Buffer之间的堆外内存
Java NIO基本使用
从JDK NIO文档里面可以发现，Java将其划分成了三大块：Channel，Buffer以及多路复用Selector。Channel的存在，封装了对什么实体的连接通道（如网络/文件）；Buffer封装了对数据的缓冲存储，最后对于Selector则是提供了一种可以以单线程非阻塞的方式，来处理多个连接。
基本应用示例
NIO的基本步骤是，创建Selector和ServerSocketChannel，然后注册channel的ACCEPT事件，调用select方法，等待连接的到来，以及接收连接后将其注册到Selector中。下面的为Echo Server的示例：
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系统调用介绍
在Linux环境下，提供了几种方式可以实现NIO，如epoll，poll，select等。对于select/poll，每次调用，都是从外部传入FD和监听事件，这就导致每次调用的时候，都需要将这些数据从用户态复制到内核态，就导致了每次调用代价比较大，而且每次从select/poll返回回来，都是全量的数据，需要自行去遍历检查哪些是READY的。对于epoll，则为增量式的，系统内部维护了所需要的FD和监听事件，要注册的时候，调用epoll_ctl即可，而每次调用，不再需要传入了，返回的时候，只返回READY的监听事件和FD。下面作个简单的伪代码：
具体的可以看以前的文章：http://www.cnblogs.com/jabnih/category/724636.html
// 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
从Java顶层使用者角度来看，channel通过注册，返回SelectionKey，而Selector.select方法，也是通过返回SelectionKey来使用。那么这里为什么会需要这个类呢？这个类有什么作用？无论是任何语言，其实都脱离不了系统底层的支持，通过上述Linux下的基本应用，可以知道，通过系统调用，向其传递和返回的都是FD以及事件这些参数，那么站在设计角度来看，就需要有一个映射关系，使得可以关联起来，这里有Channel封装的是通过，如果将READY事件这些参数放在里面，不太合适，这个时候，SelectionKey出现了，在SelectionKey内部，保存Channel的引用以及一些事件信息，然后Selector通过FD找到SelectionKey来进行关联。在底层EP里面，就有一个属性：Map<Integer,SelectionKeyImpl> fdToKey。
EPollSelectorImpl
在Linux 2.6+版本，Java NIO采用的epoll（即EPollSelectorImpl类），对于2.4.x的，则使用poll（即PollSelectorImpl类）,这里以epoll为例。
select方法
顶层Selector，通过调用select方法，最终会调用到EPollSelectorImpl.doSelect方法，通过该方法，可以看到，其首先会处理一些不再注册的事件，调用pollWrapper.poll(timeout);，然后再进行一次清理，最后，可以看到需要处理映射关系
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封装了底层的调用，里面包含几个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目录（native/sun/nio/ch）里面可以找到对应的实现EPollArrayWrapper.c。
（这里顺带提一下，要实现native方法，可以在类里的方法加上native关键字，然后编译成class文件，再转换输出.h，c/c++底层实现该头文件的方法，编译成so库，放到对应目录即可）
在初始化文件方法里面，可以看到，是通过动态解析加载进来的，最终调用的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之间的堆外内存
经常会听见别人说，堆外内存容易泄漏，以及Netty框架里面采用了堆外内存，减少拷贝提高性能。那么这里面的堆外内存指的是什么?之前怀着一个好奇心，通过read方法，最后追踪到SocketChannelImpl里面read方法，里面调用了IOUtil的read方法。里面会首先判断传入的Buffer是不是DirectBuffer，如果不是（则是HeapByteBuffer），则会创建一个临时的DirectBuffer，然后再将其复制到堆内。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：https://www.zhihu.com/question/57374068）。
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);
UNSAFE_END
