NIO-网络编程-阿里云开发者社区

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 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

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

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

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
  - 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

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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