《NIO》小记

前言

NIO 全名 non-blocking Io 也叫非阻塞IO

三大组件

Channel 和 Buffer

channel 有一点类似于 stream 流,它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 要么只能是输入,要么只能是输出,channel 比 stream 更为底层

常见的 Channel

常见的 Channel 有如下几种,其中 FileChannel 主要用于文件传输,其余三种都用于网络通信

  • FileChannel
  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • ServerSocketChannel

常见的 Buffer

Buffer 则用来缓冲读写数据,其中使用较多的是 ByteBuffer

  • ByteBuffer
    • MappedByteBuffer
    • DirectByteBuffer
    • HeapByteBuffer
  • ShortBuffer
  • IntBuffer
  • LongBuffer
  • FloatBuffer
  • DoubleBuffer
  • CharBuffer

Selector

在使用 Selector 之前,处理 Socket 连接还有以下两种方法,我们先看看其他两种处理方式

多线程版本

为每个连接分别开辟一个线程,分别去处理对应的socke连接

这种方法存在以下几个问题

  • 内存占用高
    • 每个线程都需要占用一定的内存,当连接较多时,会开辟大量线程,导致占用大量内存
  • 线程上下文切换成本高
  • 只适合连接数少的场景
    • 连接数过多,会导致创建很多线程,从而出现问题

线程池版本

使用线程池,让线程池中的线程去处理连接

这种方法存在以下几个问题

  • 阻塞模式下,线程仅能处理一个连接
    • 线程池中的线程获取任务(task)后,只有当其执行完任务之后(断开连接后),才会去获取并执行下一个任务
    • 若socke连接一直未断开,则其对应的线程无法处理其他socke连接
  • 仅适合短连接场景
    • 短连接即建立连接发送请求并响应后就立即断开,使得线程池中的线程可以快速处理其他连接

selector 版本

selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel,获取这些 channel 上发生的事件,这些 channel 工作在非阻塞模式下,不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多,但流量低的场景

调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件,这些事件发生,select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理

ByteBuffer

案例

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileChannel channel = new FileInputStream("src/data.txt").getChannel()) {
            // 获取缓冲区
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
            while (true) {
                int len = channel.read(buffer);
                if (len == -1) {
                    break;
                }
                // 切换到读模式
                buffer.flip();
                // 当buffer中还有数据时,获取其中的数据
                while (buffer.hasRemaining()) {
                    byte b = buffer.get();
                    System.out.println((char) b);
                }
                // 切换到写模式 position=0, limit=capacity
                buffer.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ByteBuffer 正确使用步骤

  1. 向 Buffer 写入数据,例如调用 channel.read(buffer)
  2. 调用 flip() 切换至读模式
    1. 调用 flip() 方法后,ponsition 切换为读取位置,limit 切换为读取限制
  3. 从 buffer 读取数据,例如调用 buffer.get()
  4. 调用 clear() 或 compact() 切换至写模式
    1. 调用 clear() 方法后 position=0(写入位置),limit(写入限制) 变为 capacity(缓冲区容量)
  5. 重复 1~4 步骤

ByteBuffer 结构

ByteBuffer 中有以下几个重要属性

  • capacity:缓冲区的容量。通过构造函数赋予,一旦设置,无法更改
  • limit:缓冲区的界限。位于limit 后的数据不可读写。缓冲区的限制不能为负,并且不能大于其容量
  • position:下一个读写位置的索引,缓冲区的位置不能为负,并且不能大于limit
  • mark:记录当前position的值。position被改变后,可以通过调用reset() 方法恢复到mark的位置

最初获得缓冲区状态如下,默认为写模式

写模式下,position 是写入位置,limit 等于容量,下图表示写入了 4 个字节后的状态

flip 动作发生后,position 切换为读取位置,limit 切换为读取限制

读取 4 个字节后,状态

clear 动作发生后,状态

compact 方法,是把未读完的部分向前压缩,然后切换至写模式

调试工具类
import io.netty.util.internal.MathUtil;
import io.netty.util.internal.StringUtil;

import java.nio.ByteBuffer;


/**
 * @author Panwen Chen
 * @date 2021/4/12 15:59
 */
public class ByteBufferUtil {
    private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256];
    private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4];
    private static final String[] HEXPADDING = new String[16];
    private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4];
    private static final String[] BYTE2HEX = new String[256];
    private static final String[] BYTEPADDING = new String[16];

    static {
        final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F];
            HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F];
        }

        int i;

        // Generate the lookup table for hex dump paddings
        for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) {
            int padding = HEXPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append("   ");
            }
            HEXPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB).
        for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) {
            StringBuilder buf = new StringBuilder(12);
            buf.append(StringUtil.NEWLINE);
            buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|');
            buf.append('|');
            HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion
        for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) {
            BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i);
        }

        // Generate the lookup table for byte dump paddings
        for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) {
            int padding = BYTEPADDING.length - i;
            StringBuilder buf = new StringBuilder(padding);
            for (int j = 0; j < padding; j++) {
                buf.append(' ');
            }
            BYTEPADDING[i] = buf.toString();
        }

        // Generate the lookup table for byte-to-char conversion
        for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) {
            if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) {
                BYTE2CHAR[i] = '.';
            } else {
                BYTE2CHAR[i] = (char) i;
            }
        }
    }

    /**
     * 打印所有内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugAll(ByteBuffer buffer) {
        int oldlimit = buffer.limit();
        buffer.limit(buffer.capacity());
        StringBuilder origin = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity());
        System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit);
        System.out.println(origin);
        buffer.limit(oldlimit);
    }

    /**
     * 打印可读取内容
     * @param buffer
     */
    public static void debugRead(ByteBuffer buffer) {
        StringBuilder builder = new StringBuilder(256);
        appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position());
        System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+");
        System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit());
        System.out.println(builder);
    }

    private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) {
        if (MathUtil.isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) {
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                    "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length
                            + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')');
        }
        if (length == 0) {
            return;
        }
        dump.append(
                "         +-------------------------------------------------+" +
                        StringUtil.NEWLINE + "         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |" +
                        StringUtil.NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");

        final int startIndex = offset;
        final int fullRows = length >>> 4;
        final int remainder = length & 0xF;

        // Dump the rows which have 16 bytes.
        for (int row = 0; row < fullRows; row++) {
            int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex;

            // Per-row prefix.
            appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + 16;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(" |");

            // ASCII dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append('|');
        }

        // Dump the last row which has less than 16 bytes.
        if (remainder != 0) {
            int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex;
            appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex);

            // Hex dump
            int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder;
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(HEXPADDING[remainder]);
            dump.append(" |");

            // Ascii dump
            for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) {
                dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]);
            }
            dump.append(BYTEPADDING[remainder]);
            dump.append('|');
        }

        dump.append(StringUtil.NEWLINE +
                "+--------+-------------------------------------------------+----------------+");
    }

    private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) {
        if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) {
            dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]);
        } else {
            dump.append(StringUtil.NEWLINE);
            dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L));
            dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|');
            dump.append('|');
        }
    }

    public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) {
        return (short) (buffer.get(index) & 0xFF);
    }
}

ByteBuffer 常见方法

获取缓冲区

可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间,其它 buffer 类也有该方法

Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);
向 Buffer 写入数据

有两种方法可以写如数据

  • 调用 channel 的read 方法
    int readBytes = channel.read(buf);
    
  • 调用 buffer 的 put 方法
    buf.put((byte)127);
    
从 Buffer 读取数据
  • 调用 channel 的 write 方法
    int writeBytes = channel.write(buf);
    
  • 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 i 的内容,它不会移动读指针

mark 和 reset
  • mark() 方法会将postion的值保存到mark属性中
  • reset() 方法会将position的值改为mark中保存的值

rewind 和 flip 都会清除 mark 位置

字符串与 ByteBuffer 互转
方法一

编码:通过调用字符串的 getBytes 方法获取字节数组,然后把字节数组放进 Buffer 中
解码:先调用 ByteBuffer 的 flip 方法,然后通过 StandardCharsets 的 decoder 方法解码

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        String st1 = "hello";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);
        // 通过字符串的 getByte 方法获得字节数组,放入缓冲区中
        buffer.put(st1.getBytes());
        debugAll(buffer);

        // 这里需要手动切换为读模式,否则buffer还处于写模式下面拿不到数据
        buffer.flip();

        String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
        debugAll(buffer);
    }
}

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [10]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00                   |hello.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 00 00                   |hello.....      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
方法二

编码:通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer,此时获得的ByteBuffer为读模式,无需通过flip切换模式
解码:通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 通过StandardCharsets的encode方法获得ByteBuffer
         * encode方法会帮我们把buffer切换到读模式所以这里不在需要手动切换
         */
        ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello");
        debugAll(buffer);

        /**
         *  将缓冲区中的数据转化为字符串
         *  通过StandardCharsets解码,获得CharBuffer,再通过toString获得字符串
         */
        String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
        System.out.println(str2);
        debugAll(buffer);
    }
}

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
方法三

编码:字符串调用getByte()方法获得字节数组,将字节数组传给ByteBuffer的wrap()方法,通过该方法获得ByteBuffer
解码:通过StandardCharsets的decoder方法解码

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 通过ByteBuffer的wrap方法获得传入一个byte数组
         * wrap方法会帮我们把buffer切换到读模式所以这里不在需要手动切换
         */
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("hello".getBytes());
        debugAll(buffer);

        /**
         *  将缓冲区中的数据转化为字符串
         *  通过StandardCharsets解码,获得CharBuffer,再通过toString获得字符串
         */
        String str2 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer).toString();
        System.out.println(str2);
        debugAll(buffer);
    }
}

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [0], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
hello
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [5], limit: [5]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 65 6c 6c 6f                                  |hello           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

黏包与半包

网络上有多条数据发送给服务端,数据之间使用 \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

  • Hello,world\n
  • I'm zhangsan\n
  • How are you?\n

服务器接收后变成了下面的两个 byteBuffer (黏包,半包)

  • Hello,world\nI'm zhangsan\nHo
  • w are you?\n

出现两种情况的原因:

黏包:在发送数据库的时候,并不是一条一条地发送数据,而是将数据整合在一起,当数据达到一定的数量后再一起发送。这就会导致多条信息被放在一个缓冲区中被一起发送出去

半包:由于接收方的缓冲区大小都是有限制的,当接收方的缓冲区满了以后,就需要将信息截断,等待缓冲区清空后再继续放入数据,这就会发生上面的半包现象

模拟接收数据黏包半包现象

public class TestByteBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟黏包现象
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
        source.put("Hello,world\nIm zhangsan\nHo".getBytes());
        split(source);
        // 模拟半包现象
        source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes());
        split(source);
    }
}

解决方案一:

private static void split(ByteBuffer source) {
    source.flip();
    // 获取缓冲区大小
    int limit = source.limit();
    for (int i = 0; i < limit; i++) {
        if (source.get(i) == '\n') {
            int length = i + 1 - source.position();
            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
            for (int j = 0; j < length; j++) {
                target.put(source.get());
            }
            debugAll(target);
        }
    }
    // 切换为写模式,缓冲区内可能还存在数据,需要保留
    source.compact();
}

解决方案二

private static void split(ByteBuffer source) {
    source.flip();
    // 获取缓冲区大小
    int limit = source.limit();
    for (int i = 0; i < limit; i++) {
        if (source.get(i) == '\n') {
            ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position());
            // 从 0 - limit,修改原来 Buffer limit 大小
            source.limit(i + 1);
            target.put(source);
            source.limit(limit);
            debugAll(target);
        }
    }
    // 切换为写模式,缓冲区内可能还存在数据,需要保留
    source.compact();
}

运行结果

+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 65 6c 6c 6f 2c 77 6f 72 6c 64 0a             |Hello,world.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [12], limit: [12]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 49 6d 20 7a 68 61 6e 67 73 61 6e 0a             |Im zhangsan.    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [13], limit: [13]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 48 6f 77 20 61 72 65 20 79 6f 75 3f 0a          |How are you?.   |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+
position: [6], limit: [6]
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 68 61 68 61 21 0a                               |haha!.          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

文件编程

FileChannel

工作模式

⚠️ FileChannel 只能在阻塞模式下工作,所以无法搭配 Selector 使用

获取

不能直接打开 FileChannel,必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel,它们都有 getChannel 方法

  • 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读
  • 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写
  • 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定

读取

通过 FileInputStream 获取 channel,通过 read 方法将数据写入到 ByteBuffer 中 read方法的返回值表示读到了多少字节,若读到了文件末尾则返回 ** -1**

int readBytes = channel.read(buffer);

可根据返回值判断是否读取完毕

while(channel.read(buffer) > 0) {
    // 进行对应操作
    ...
}

写入

因为 channel 也是有大小的,所以 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel。必须需要按照以下规则进行写入

// 通过hasRemaining()方法查看缓冲区中是否还有数据未写入到通道中
while(buffer.hasRemaining()) {
	channel.write(buffer);
}

关闭

channel 必须关闭,不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close 方法会间接地调用 channel 的 close 方法,

jdk1.7 后可以将资源定义在 try 中,无需手动关闭

public class TestChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("stu.txt");
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream("student.txt");
             FileChannel inputChannel = fis.getChannel();
             FileChannel outputChannel = fos.getChannel()) {
            
            // 执行对应操作
            ...
                
        }
    }
}

位置

获取当前位置

long pos = channel.position();

设置当前位置

long newPos = ...;
channel.position(newPos);

设置当前位置时,如果设置为文件的末尾

  • 这时读取会返回 -1
  • 这时写入,会追加内容,但要注意如果 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,不是立刻写入磁盘。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

两个Channel传输数据

使用transferTo方法可以快速、高效地将一个channel中的数据传输到另一个channel中,但一次只能传输2G的内容

long start = System.nanoTime();
try (FileChannel from = new FileInputStream("src/data.txt").getChannel();
     FileChannel to = new FileOutputStream("src/to.txt").getChannel();
) {
    from.transferTo(0, from.size(), to);
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}
long end = System.nanoTime();
System.out.println("transferTo 用时:" + (end - start) / 1000_000.0);

输出

transferTo 用时:3.2062

超过 2G 大小的文件传输

try (
        FileChannel from = new FileInputStream("src/data.txt").getChannel();
        FileChannel to = new FileOutputStream("src/to.txt").getChannel();
) {
    // 效率高,底层会利用操作系统的零拷贝进行优化
    long size = from.size();
    // left 变量代表还剩余多少字节
    for (long left = size; left > 0; ) {
        System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left);
        left -= from.transferTo((size - left), left, to);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

输出

position:0 left:17

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
Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 不带盘符 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt

Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了  d:\1.txt 反斜杠需要转义

Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了  d:\1.txt

Path projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了  d:\data\projects

代码

Path path = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b");
System.out.println(path);
System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径

输出结果

d:\data\projects\a\..\b
d:\data\projects\b

Files

查找

检查文件是否存在

Path path = Paths.get("helloword/data.txt");
System.out.println(Files.exists(path));

创建

创建一级目录

Path path = Paths.get("helloword/d1");
Files.createDirectory(path);
  • 如果目录已存在,会抛异常 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("helloword/d1/d2");
Files.createDirectories(path);

拷贝文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/target.txt");
Files.copy(source, target);
  • 如果文件已存在,会抛异常 FileAlreadyExistsException

如果希望用 source 覆盖掉 target,需要用 StandardCopyOption 来控制

Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING);

移动文件

Path source = Paths.get("helloword/data.txt");
Path target = Paths.get("helloword/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("helloword/target.txt");
Files.delete(target);

如果文件不存在,会抛异常 NoSuchFileException

删除目录

Path target = Paths.get("helloword/d1");
Files.delete(target);

如果目录还有内容,会抛异常 DirectoryNotEmptyException

遍历目录文件

可以使用Files工具类中的walkFileTree(Path, FileVisitor)方法,其中需要传入两个参数

  • Path:文件起始路径
  • FileVisitor:文件访问器,使用访问者模式
    • 接口的实现类 SimpleFileVisitor 有四个方法
      • preVisitDirectory:访问目录前的操作
      • visitFile:访问文件的操作
      • visitFileFailed:访问文件失败时的操作
      • postVisitDirectory:访问目录后的操作
public class TestWalkFileTree {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Path path = Paths.get("F:\\JDK 8");
        // 文件目录数目
        AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
        // 文件数目
        AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
            @Override
            public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println("===>"+dir);
                // 增加文件目录数
                dirCount.incrementAndGet();
                return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
            }

            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println(file);
                // 增加文件数
                fileCount.incrementAndGet();
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        // 打印数目
        System.out.println("文件目录数:"+dirCount.get());
        System.out.println("文件数:"+fileCount.get());
    }
}

运行结果如下

...
===>F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited
F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited\local_policy.jar
F:\JDK 8\lib\security\policy\unlimited\US_export_policy.jar
F:\JDK 8\lib\security\trusted.libraries
F:\JDK 8\lib\sound.properties
F:\JDK 8\lib\tzdb.dat
F:\JDK 8\lib\tzmappings
F:\JDK 8\LICENSE
F:\JDK 8\README.txt
F:\JDK 8\release
F:\JDK 8\THIRDPARTYLICENSEREADME-JAVAFX.txt
F:\JDK 8\THIRDPARTYLICENSEREADME.txt
F:\JDK 8\Welcome.html
文件目录数:23
文件数:279

删除多级目录

Path path = Paths.get("d:\\a");
Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){
    @Override
    public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) 
        throws IOException {
        Files.delete(file);
        return super.visitFile(file, attrs);
    }

    @Override
    public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) 
        throws IOException {
        Files.delete(dir);
        return super.postVisitDirectory(dir, exc);
    }
});

网络编程

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

服务端代码

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                System.out.println("before connecting...");
                // 没有连接时,会阻塞线程
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                System.out.println("after connecting...");
                channels.add(socketChannel);
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    System.out.println("before reading");
                    // 处理通道中的数据
                    // 当通道中没有数据可读时,会阻塞线程
                    channel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("after reading");
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            // 建立连接
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            System.out.println("waiting...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

非阻塞

  • 可以通过ServerSocketChannel的configureBlocking(false)方法将获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接,accept会返回null
  • 可以通过SocketChannel的configureBlocking(false)方法将从通道中读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读,read会返回-1

服务器代码如下

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                // 设置为非阻塞模式,没有连接时返回null,不会阻塞线程
                server.configureBlocking(false);
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                // 通道不为空时才将连接放入到集合中
                if (socketChannel != null) {
                    System.out.println("after connecting...");
                    channels.add(socketChannel);
                }
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    // 处理通道中的数据
                    // 设置为非阻塞模式,若通道中没有数据,会返回0,不会阻塞线程
                    channel.configureBlocking(false);
                    int read = channel.read(buffer);
                    if(read > 0) {
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("after reading");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这样写存在一个问题,因为设置为了非阻塞,会一直执行while(true)中的代码,CPU一直处于忙碌状态,会使得性能变低,所以实际情况中不使用这种方法处理请求

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

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
Selector selector = Selector.open();
绑定 Channel 事件

也称之为注册事件,绑定的事件 selector 才会关心

channel.configureBlocking(false);
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
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();
Select 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,会触发多次读取事件
    • 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

处理 accept 事件

要使用Selector实现多路复用,服务端代码如下改进

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        
        				// 获取连接并处理,而且是必须处理,否则需要取消
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } 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

处理Read事件

在 Accept 事件中,若有客户端与服务器端建立了连接,需要将其对应的 SocketChannel 设置为非阻塞,并注册到选择其中
添加Read事件,触发后进行读取操作

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的实践
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("after reading...");
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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

断开的处理

当客户端与服务器之间的连接断开时,会给服务器端发送一个读事件,对异常断开和正常断开需要加以不同的方式进行处理

正常断开时,服务器端的channel.read(buffer)方法的返回值为-1,所以当结束到返回值为-1时,需要调用key的cancel方法取消此事件,并在取消后移除该事件

int read = channel.read(buffer);
// 断开连接时,客户端会向服务器发送一个写事件,此时read的返回值为-1
if(read == -1) {
    // 取消该事件的处理
	key.cancel();
    channel.close();
} else {
    ...
}
// 取消或者处理,都需要移除key
iterator.remove();

异常断开时,会抛出IOException异常, 在try-catch的catch块中捕获异常并调用key的cancel方法即可

消息边界处理

不处理消息边界存在的问题
将缓冲区的大小设置为4个字节,发送2个汉字(你好),通过decode解码并打印时,会出现乱码

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
// 解码并打印
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));
你�
��

这是因为UTF-8字符集下,1个汉字占用3个字节,此时缓冲区大小为4个字节,一次读时间无法处理完通道中的所有数据,所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送,解码时就会出现问题

处理消息边界

解决思路大致有以下三种

  • 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
  • 另一种思路是按分隔符拆分,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

下文的消息边界处理方式为第二种:按分隔符拆分
附件与扩容
Channel 的 register方法还有第三个参数:附件,可以向其中放入一个 Object 类型的对象,该对象会与登记的 Channel 以及其对应的 SelectionKey 绑定,可以从 SelectionKey 获取到对应通道的附件

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)

可通过 SelectionKey 的 attachment() 方法获得附件

ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();

我们需要在Accept事件发生后,将通道注册到Selector中时,对每个通道添加一个ByteBuffer附件,让每个通道发生读事件时都使用自己的通道,避免与其他通道发生冲突而导致问题

// 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中,同时设置附件
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 添加通道对应的Buffer附件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);

当Channel中的数据大于缓冲区时,需要对缓冲区进行扩容操作。此代码中的扩容的判定方法:Channel调用compact方法后,的position与limit相等,说明缓冲区中的数据并未被读取(容量太小),此时创建新的缓冲区,其大小扩大为两倍。同时还要将旧缓冲区中的数据拷贝到新的缓冲区中,同时调用SelectionKey的attach方法将新的缓冲区作为新的附件放入SelectionKey中

// 如果缓冲区太小,就进行扩容
if (buffer.position() == buffer.limit()) {
    ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
    // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
    ewBuffer.put(buffer);
    // 将新buffer作为附件放到key中
    key.attach(newBuffer);
}

改造后的服务器代码如下

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中,同时设置附件
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        // 通过key获得附件(buffer)
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        int read = channel.read(buffer);
                        if(read == -1) {
                            key.cancel();
                            channel.close();
                        } else {
                            // 通过分隔符来分隔buffer中的数据
                            split(buffer);
                            // 如果缓冲区太小,就进行扩容
                            if (buffer.position() == buffer.limit()) {
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
                                // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
                                buffer.flip();
                                newBuffer.put(buffer);
                                // 将新buffer放到key中作为附件
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
                        System.out.println("after reading...");
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void split(ByteBuffer buffer) {
        buffer.flip();
        for(int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            // 遍历寻找分隔符
            // get(i)不会移动position
            if (buffer.get(i) == '\n') {
                // 缓冲区长度
                int length = i+1-buffer.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 将前面的内容写入target缓冲区
                for(int j = 0; j < length; j++) {
                    // 将buffer中的数据写入target中
                    target.put(buffer.get());
                }
                // 打印结果
                ByteBufferUtil.debugAll(target);
            }
        }
        // 切换为写模式,但是缓冲区可能未读完,这里需要使用compact
        buffer.compact();
    }
}

ByteBuffer的大小分配

  • 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

处理 write 事件

服务器通过Buffer向通道中写入数据时,可能因为通道容量小于Buffer中的数据大小,导致无法一次性将Buffer中的数据全部写入到Channel中,这时便需要分多次写入,具体步骤如下

  • 执行一次写操作,向将 buffer 中的内容写入到 SocketChannel 中,然后判断 Buffer 中是否还有数据
  • 若Buffer中还有数据,则需要将 SockerChannel 注册到 Seletor 中,并关注写事件,同时将未写完的 Buffer 作为附件一起放入到 SelectionKey 中
      int write = socket.write(buffer);
      // 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
      if (buffer.hasRemaining()) {
          // 注册到Selector中,关注可写事件,并将buffer添加到key的附件中
          socket.configureBlocking(false);
          socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
      }
    
  • 添加写事件的相关操作key.isWritable(),对Buffer再次进行写操作

    每次写后需要判断Buffer中是否还有数据(是否写完)。若写完,需要移除 SelecionKey 中的Buffer 附件,避免其占用过多内存,同时还需移除对写事件的关注

      SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
      // 获得buffer
      ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
      // 执行写操作
      int write = socket.write(buffer);
      System.out.println(write);
      // 如果已经完成了写操作,需要移除key中的附件,同时不再对写事件感兴趣
      if (!buffer.hasRemaining()) {
          key.attach(null);
          key.interestOps(0);
      }
    

整体代码如下

public class WriteServer {
    public static void main(String[] args) {
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            server.configureBlocking(false);
            Selector selector = Selector.open();
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 处理后就移除事件
                    iterator.remove();
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 获得客户端的通道
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        // 写入数据
                        StringBuilder builder = new StringBuilder();
                        for(int i = 0; i < 500000000; i++) {
                            builder.append("a");
                        }
                        ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(builder.toString());
                        // 先执行一次Buffer->Channel的写入,如果未写完,就添加一个可写事件
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
                        if (buffer.hasRemaining()) {
                            // 注册到Selector中,关注可写事件,并将buffer添加到key的附件中
                            socket.configureBlocking(false);
                            socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                        }
                    } else if (key.isWritable()) {
                        SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                        // 获得buffer
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 执行写操作
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 如果已经完成了写操作,需要移除key中的附件,同时不再对写事件感兴趣
                        if (!buffer.hasRemaining()) {
                            key.attach(null);
                            key.interestOps(0);
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

多线程优化

充分利用多核CPU,分两组选择器

  • 单线程配一个选择器(Boss),专门处理 accept 事件
  • 创建 cpu 核心数的线程(Worker),每个线程配一个选择器,轮流处理 read 事件

实现思路

  • 创建一个负责处理Accept事件的Boss线程,与多个负责处理Read事件的Worker线程
  • Boss线程执行的操作
    • 接受并处理Accepet事件,当Accept事件发生后,调用Worker的register(SocketChannel socket)方法,让Worker去处理Read事件,其中需要根据标识robin去判断将任务分配给哪个Worker
    // 创建固定数量的Worker
    Worker[] workers = new Worker[4];
    // 用于负载均衡的原子整数
    AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
    // 负载均衡,轮询分配Worker
    workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);
    
    • register(SocketChannel socket)方法会通过同步队列完成Boss线程与Worker线程之间的通信,让SocketChannel的注册任务被Worker线程执行。添加任务后需要调用selector.wakeup()来唤醒被阻塞的Selector
    public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
        // 只启动一次
        if (!started) {
        // 初始化操作
        }
        // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
        // 在Worker线程中执行注册事件
        queue.add(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        // 唤醒被阻塞的Selector
        // select类似LockSupport中的park,wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
        selector.wakeup();
    }
    
  • Worker线程执行的操作
    • 从同步队列中获取注册任务,并处理Read事件

实现代码

public class ThreadsServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 当前线程为Boss线程
            Thread.currentThread().setName("Boss");
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 负责轮询Accept事件的Selector
            Selector boss = Selector.open();
            server.configureBlocking(false);
            server.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 创建固定数量的Worker
            Worker[] workers = new Worker[4];
            // 用于负载均衡的原子整数
            AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
            for(int i = 0; i < workers.length; i++) {
                workers[i] = new Worker("worker-"+i);
            }
            while (true) {
                boss.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = boss.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    // BossSelector负责Accept事件
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 建立连接
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        System.out.println("connected...");
                        socket.configureBlocking(false);
                        // socket注册到Worker的Selector中
                        System.out.println("before read...");
                        // 负载均衡,轮询分配Worker
                        workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);
                        System.out.println("after read...");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private volatile Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean started = false;
        /**
         * 同步队列,用于Boss线程与Worker线程之间的通信
         */
        private ConcurrentLinkedQueue<Runnable> queue;

        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
            // 只启动一次
            if (!started) {
                thread = new Thread(this, name);
                selector = Selector.open();
                queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
                thread.start();
                started = true;
            }
            
            // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
            // 在Worker线程中执行注册事件
            queue.add(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            // 唤醒被阻塞的Selector
            // select类似LockSupport中的park,wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
            selector.wakeup();
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select();
                    // 通过同步队列获得任务并运行
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        // 获得任务,执行注册操作
                        task.run();
                    }
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    while(iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        // Worker只负责Read事件
                        if (key.isReadable()) {
                            // 简化处理,省略细节
                            SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            socket.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

NIO与BIO

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

IO 模型

同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞(没有此情况)、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,而是由其它线程送结果(至少两个线程)

当调用一次 channel.read 或 stream.read 后,会由用户态切换至操作系统内核态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

阻塞IO


用户线程进行read操作时,需要等待操作系统执行实际的read操作,此期间用户线程是被阻塞的,无法执行其他操作

非阻塞IO

  • 用户线程在一个循环中一直调用read方法,若内核空间中还没有数据可读,立即返回
    • 只是在等待阶段非阻塞
  • 用户线程发现内核空间中有数据后,等待内核空间执行复制数据,待复制结束后返回结果

多路复用

Java中通过Selector实现多路复用

  • 当没有事件是,调用select方法会被阻塞住
  • 一旦有一个或多个事件发生后,就会处理对应的事件,从而实现多路复用

多路复用与阻塞IO的区别

  • 阻塞IO模式下,若线程因accept事件被阻塞,发生read事件后,仍需等待accept事件执行完成后,才能去处理read事件
  • 多路复用模式下,一个事件发生后,若另一个事件处于阻塞状态,不会影响该事件的执行

异步IO

  • 线程1调用方法后理解返回,不会被阻塞也不需要立即获取结果
  • 当方法的运行结果出来以后,由线程2将结果返回给线程1

零拷贝

零拷贝指的是数据无需拷贝到 JVM 内存中,同时具有以下三个优点

  • 更少的用户态与内核态的切换
  • 不利用 cpu 计算,减少 cpu 缓存伪共享
  • 零拷贝适合小文件传输

传统 IO 问题

传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出

File f = new File("helloword/data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);

内部工作流如下

  • Java 本身并不具备 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内核态,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,其间也不会使用 CPU

    DMA 也可以理解为硬件单元,用来解放 cpu 完成文件 IO

  • 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 缓冲区,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内核态,调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,底层的真正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

NIO 优化

通过 DirectByteBuf

  • ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存
  • 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,唯有一点:Java 可以使用 DirectByteBuffer 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
    • DirectByteBuf 对象被垃圾回收,将虚引用加入引用队列
    • 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

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

  1. java 调用 transferTo 方法后,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
  2. 数据从内核缓冲区传输到 socket 缓冲区,cpu 会参与拷贝
  3. 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

进一步优化(linux 2.4)

  1. java 调用 transferTo 方法后,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
  2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 socket 缓冲区,几乎无消耗
  3. 使用 DMA 将 内核缓冲区的数据写入网卡,不会使用 cpu

整个过程仅只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切换
  • 不利用 cpu 计算,减少 cpu 缓存伪共享
  • 零拷贝适合小文件传输

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来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
@Slf4j
public class AioDemo1 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        try{
            AsynchronousFileChannel s = 
                AsynchronousFileChannel.open(
                	Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2);
            log.debug("begin...");
            s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read completed...{}", result);
                    buffer.flip();
                    debug(buffer);
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    log.debug("read failed...");
                }
            });

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        log.debug("do other things...");
        System.in.read();
    }
}

输出结果

13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin...
13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things...
13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed...2
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+--------+-------------------------------------------------+----------------+

可以看到

  • 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5
  • 主线程并没有 IO 操作阻塞
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