NIO-网络编程

简介: NIO-网络编程

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 会在通道中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
多线程版服务器端代码
@Slf4j
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel channel=ServerSocketChannel.open();
        channel.bind(new InetSocketAddress(8888));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(20);
        while (true){
            log.info("connecting ...");
            SocketChannel newSocketChannel = channel.accept();//建立与客户端的连接
            log.info("connected... {}",newSocketChannel);
            new Thread(()->{
                try {
                    log.info("启动会话线程:{}",Thread.currentThread().getName());
                    readContext(newSocketChannel,buffer);
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }

    public static void readContext(SocketChannel channel,ByteBuffer buffer) throws IOException {
        log.debug("before read...");
        channel.read(buffer);
        buffer.flip();//切换为读模式
        debugAll(buffer);
        buffer.clear();//切换为写模式
    }
}
客户端
@Slf4j
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc = SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",8888));
        ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello world");
        log.info("waiting...");
        sc.write(buffer);
    }
}

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
服务端代码
@Slf4j
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞模式
        List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(24);
        log.info("listen ...");
        while (true) {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();//以非阻塞模式方式运行,如果没有连接则返回null
            if (socketChannel != null) {
                log.info("accept client connect:{}", socketChannel);
                socketChannel.configureBlocking(false);//设置为非阻塞模式
                channels.add(socketChannel);
            }
            for (SocketChannel channel : channels) {
                int readSize = channel.read(buffer);//read方法处于非阻塞模式,未读取到数据时返回0
                if (readSize > 0) {
                    buffer.flip();//转为读模式
                    debugAll(buffer);
                    buffer.clear();//转为写模式
                }
            }
        }
    }
}

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

Selector

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 无法利用多路复用
  • 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
步骤解析
  • 获得选择器Selector

    Selector selector = Selector.open();
  • 将通道设置为非阻塞模式,并注册到选择器中,并设置感兴趣的事件

    • 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
    // 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,并设置关注的事件
    server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  • 通过Selector监听事件,并获得就绪的通道个数,若没有通道就绪,线程会被阻塞

    • 阻塞直到绑定事件发生

      int count = selector.select();
    • 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);
    • 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();
  • 获取就绪事件并得到对应的通道,然后进行处理

    // 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,此处为Accept类型
        if(key.isAcceptable()) {
            // 获得key对应的channel
            ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
            // 获取连接并处理,而且是必须处理,否则需要取消
            SocketChannel socketChannel = channel.accept();
            // 处理完毕后移除
            iterator.remove();
        }
    }
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

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

    @Slf4j
    public class NIOServer2 {
        public static void main(String[] args) throws IOException {
            //创建selector
            Selector selector = Selector.open();
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            //注册socket到selecor
            SelectionKey ssckey = serverSocketChannel.register(selector, 0, null);//设置事件类型为空(0)
            ssckey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);//关注accept事件
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8888));
            log.info("server started ...");
            while (true){
                selector.select();//select方法,当有事件时线程恢复运行,没有事件时线程阻塞
                //获取事件集合
                Iterator<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys().iterator();
                while (keys.hasNext()){
                    SelectionKey key = keys.next();
                    //获取accept事件
                    if (key.isAcceptable()){
                        ServerSocketChannel channel =(ServerSocketChannel) key.channel();
                        SocketChannel clientSocket = channel.accept();//获取连接并处理,而且是必须处理,否则需要取消
                        log.info("create connect:{}",clientSocket);
                        clientSocket.configureBlocking(false);
                        //注册会话channel
                        SelectionKey sk = clientSocket.register(selector, 0, null);
                        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//监听读事件
                     //处理读事件
                    }else if (key.isReadable()){
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32);
                        while (true){
                            int length = channel.read(buffer);
                            buffer.flip();//切换为读模式
                            debugAll(buffer);
                            if (length<buffer.capacity()){
                                break;
                            }
                            buffer.clear();//清空buffer内容并改为写模式
                        }
                        buffer.flip();//切换到读模式
                    }
                    //移除事件,事件不会主动从Set中移除,会造成死循环
                    keys.remove();
                }
            }
        }
    }
删除事件

当处理完一个事件后,一定要调用迭代器的remove方法移除对应事件,否则会出现错误

  • 当调用了 server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)后,Selector中维护了一个集合,用于存放SelectionKey以及其对应的通道

    final class WindowsSelectorImpl extends SelectorImpl {
        private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];
    }
    public class SelectionKeyImpl extends AbstractSelectionKey {
        // Key对应的通道
        final SelChImpl channel;
        ...
    }
  • 当选择器中的通道对应的事件发生后,selecionKey会被放到另一个集合中,但是selecionKey不会自动移除,所以需要我们在处理完一个事件后,通过迭代器手动移除其中的selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理,就会引发错误
断开处理

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

    • 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,取消注册
          key.cancel();
          channel.close();
      } else {
          ...
      }
      // 取消或者处理,都需要移除key
      iterator.remove();
  • 异常断开

    • 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

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 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

传输的文本可能有以下三种情况

  • 文本大于缓冲区大小

    • 此时需要将缓冲区进行扩容
  • 发生半包现象
  • 发生粘包现象

cadcaad045a546fbab912c331c1299ab.png

解决思路大致有以下三种

  • 固定消息长度,数据包大小一样,服务器按预定长度读取,当发送的数据较少时,需要将数据进行填充,直到长度与消息规定长度一致。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,需要一个一个字符地去匹配分隔符
  • TLV 格式,即 Type 类型、Length 长度、Value 数据(也就是在消息开头用一些空间存放后面数据的长度),如HTTP请求头中的Content-Type与Content-Length。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

d7d4d6eb836f43649911c024a2e36cdc.png

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
    newBuffer.put(buffer);
    // 将新buffer作为附件放到key中
    key.attach(newBuffer);
}
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
  • 分配思路可以参考

    • 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
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,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);
}
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