深入浅出NIO Socket实现机制

前言

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

• Buffer
• Channel
• Selector

以前基于net包进行socket编程时，accept方法会一直阻塞，直到有客户端请求的到来，并返回socket进行相应的处理。整个过程是流水线的，处理完一个请求，才能去获取并处理后面的请求；当然我们可以把获取socket和处理socket的过程分开，一个线程负责accept，线程池负责处理请求。

NIO为我们提供了更好的解决方案，采用选择器（Selector）找出已经准备好读写的socket，并按顺序处理，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）来传输和保存数据。

Buffer和Channel已经介绍过深入浅出NIO Channel和Buffer，本文主要介绍NIO的Selector和Socket的实践以及实现原理。

Selector是什么？

在养鸡场，有这一个人，每天的工作就是不停检查几个特殊的鸡笼，如果有鸡进来，有鸡出去，有鸡生蛋，有鸡生病等等，就把相应的情况记录下来。这样，如果负责人想知道鸡场情况，只需要到那个人查询即可，当然前提是，负责得让那个人知道需要记录哪些情况。

Selector的作用相当这个人的工作，每个鸡笼相当于一个SocketChannel，单个线程通过Selector可以管理多个SocketChannel。

A Thread uses a Selector to handle 3 Channels

为了实现Selector管理多个SocketChannel，必须将多个具体的SocketChannel对象注册到Selector对象，并声明需要监听的事件，目前有4种类型的事件：

connect：客户端连接服务端事件，对应值为SelectionKey.OP_CONNECT(8)
accept：服务端接收客户端连接事件，对应值为SelectionKey.OP_ACCEPT(16)
read：读事件，对应值为SelectionKey.OP_READ(1)
write：写事件，对应值为SelectionKey.OP_WRITE(4)

当SocketChannel有对应的事件发生时，Selector能够觉察到并进行相应的处理。

为了更好地理解NIO Socket，先来看一段服务端的示例代码

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
    int n = selector.select();
    if (n == 0) continue;
    Iterator ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
    while(ite.hasNext()){
        SelectionKey key = (SelectionKey)ite.next();
        if (key.isAcceptable()){
            SocketChannel clntChan = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
            clntChan.configureBlocking(false);
            //将选择器注册到连接到的客户端信道，
            //并指定该信道key值的属性为OP_READ，
            //同时为该信道指定关联的附件
            clntChan.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(bufSize));
        }
        if (key.isReadable()){
            handleRead(key);
        }
        if (key.isWritable() && key.isValid()){
            handleWrite(key);
        }
        if (key.isConnectable()){
            System.out.println("isConnectable = true");
        }
      ite.remove();
    }
}

服务端连接过程
1、创建ServerSocketChannel实例serverSocketChannel，并bind到指定端口。
2、创建Selector实例selector；
3、将serverSocketChannel注册到selector，并指定事件OP_ACCEPT。
4、while循环执行：
4.1、调用select方法，该方法会阻塞等待，直到有一个或多个通道准备好了I/O操作或等待超时。
4.2、获取选取的键列表；
4.3、循环键集中的每个键：
4.3.a、获取通道，并从键中获取附件（如果添加了附件）；
4.3.b、确定准备就绪的操纵并执行，如果是accept操作，将接收的信道设置为非阻塞模式，并注册到选择器；
4.3.c、如果需要，修改键的兴趣操作集；
4.3.d、从已选键集中移除键

在步骤3中，selector只注册了serverSocketChannel的OP_ACCEPT事件

• 如果有客户端A连接服务，执行select方法时，可以通过serverSocketChannel获取客户端A的socketChannel，并在selector上注册socketChannel的OP_READ事件。
• 如果客户端A发送数据，会触发read事件，这样下次轮询调用select方法时，就能通过socketChannel读取数据，同时在selector上注册该socketChannel的OP_WRITE事件，实现服务器往客户端写数据。

NIO Socket实现原理

SocketChannel、ServerSocketChannel和Selector的实例初始化都通过SelectorProvider类实现，其中Selector是整个NIO Socket的核心实现。

public static SelectorProvider provider() {
    synchronized (lock) {
        if (provider != null)
            return provider;
        return AccessController.doPrivileged(
            new PrivilegedAction<SelectorProvider>() {
                public SelectorProvider run() {
                        if (loadProviderFromProperty())
                            return provider;
                        if (loadProviderAsService())
                            return provider;
                        provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
                        return provider;
                    }
                });
    }
}

SelectorProvider在windows和linux下有不同的实现，provider方法会返回对应的实现。

Selector分析

Selector是如何做到同时管理多个socket？

Selector初始化时，会实例化PollWrapper、SelectionKeyImpl数组和Pipe。

WindowsSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
    super(sp);
    pollWrapper = new PollArrayWrapper(INIT_CAP);
    wakeupPipe = Pipe.open();
    wakeupSourceFd = ((SelChImpl)wakeupPipe.source()).getFDVal();

    // Disable the Nagle algorithm so that the wakeup is more immediate
    SinkChannelImpl sink = (SinkChannelImpl)wakeupPipe.sink();
    (sink.sc).socket().setTcpNoDelay(true);
    wakeupSinkFd = ((SelChImpl)sink).getFDVal();
    pollWrapper.addWakeupSocket(wakeupSourceFd, 0);
}

pollWrapper用Unsafe类申请一块物理内存，存放注册时的socket句柄fdVal和event的数据结构pollfd，其中pollfd共8位，0~3位保存socket句柄，4~7位保存event。

pollfd

pollWrapper

pollWrapper提供了fdVal和event数据的相应操作，如添加操作通过Unsafe的putInt和putShort实现。

void putDescriptor(int i, int fd) {
    pollArray.putInt(SIZE_POLLFD * i + FD_OFFSET, fd);
}
void putEventOps(int i, int event) {
    pollArray.putShort(SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET, (short)event);
}

SelectionKeyImpl保存注册时的channel、selector、event以及保存在pollWrapper的偏移位置index。

先看看serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT)是如何实现的：

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)
    throws ClosedChannelException {
    synchronized (regLock) {
        SelectionKey k = findKey(sel);
        if (k != null) {
            k.interestOps(ops);
            k.attach(att);
        }
        if (k == null) {
            // New registration
            synchronized (keyLock) {
                if (!isOpen())
                    throw new ClosedChannelException();
                k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
                addKey(k);
            }
        }
        return k;
    }
}

1. 如果该channel和selector已经注册过，则直接添加事件和附件。
2. 否则通过selector实现注册过程。

protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
      int ops,  Object attachment) {
    if (!(ch instanceof SelChImpl))
        throw new IllegalSelectorException();
    SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
    k.attach(attachment);
    synchronized (publicKeys) {
        implRegister(k);
    }
    k.interestOps(ops);
    return k;
}

protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
    synchronized (closeLock) {
        if (pollWrapper == null)
            throw new ClosedSelectorException();
        growIfNeeded();
        channelArray[totalChannels] = ski;
        ski.setIndex(totalChannels);
        fdMap.put(ski);
        keys.add(ski);
        pollWrapper.addEntry(totalChannels, ski);
        totalChannels++;
    }
}

1. 以当前channel和selector为参数，初始化 SelectionKeyImpl 对象selectionKeyImpl ，并添加附件attachment。
2. 如果当前channel的数量totalChannels等于SelectionKeyImpl数组大小，对SelectionKeyImpl数组和pollWrapper进行扩容操作。
3. 如果totalChannels % MAX_SELECTABLE_FDS == 0，则多开一个线程处理selector。
4. pollWrapper.addEntry将把selectionKeyImpl中的socket句柄添加到对应的pollfd。
5. k.interestOps(ops)方法最终也会把event添加到对应的pollfd。

所以，不管serverSocketChannel，还是socketChannel，在selector注册事件后，最终都保存在pollArray中。

接着，再来看看selector中的select是如何实现一次获取多个有事件发生的channel的。
底层由selector实现类的doSelect方法实现，如下：

 protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
        if (channelArray == null)
            throw new ClosedSelectorException();
        this.timeout = timeout; // set selector timeout
        processDeregisterQueue();
        if (interruptTriggered) {
            resetWakeupSocket();
            return 0;
        }
        // Calculate number of helper threads needed for poll. If necessary
        // threads are created here and start waiting on startLock
        adjustThreadsCount();
        finishLock.reset(); // reset finishLock
        // Wakeup helper threads, waiting on startLock, so they start polling.
        // Redundant threads will exit here after wakeup.
        startLock.startThreads();
        // do polling in the main thread. Main thread is responsible for
        // first MAX_SELECTABLE_FDS entries in pollArray.
        try {
            begin();
            try {
                subSelector.poll();
            } catch (IOException e) {
                finishLock.setException(e); // Save this exception
            }
            // Main thread is out of poll(). Wakeup others and wait for them
            if (threads.size() > 0)
                finishLock.waitForHelperThreads();
          } finally {
              end();
          }
        // Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled  for the next run.
        finishLock.checkForException();
        processDeregisterQueue();
        int updated = updateSelectedKeys();
        // Done with poll(). Set wakeupSocket to nonsignaled  for the next run.
        resetWakeupSocket();
        return updated;
    }

其中 subSelector.poll() 是select的核心，由native函数poll0实现，readFds、writeFds 和exceptFds数组用来保存底层select的结果，数组的第一个位置都是存放发生事件的socket的总数，其余位置存放发生事件的socket句柄fd。

private final int[] readFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] writeFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private final int[] exceptFds = new int [MAX_SELECTABLE_FDS + 1];
private int poll() throws IOException{ // poll for the main thread
     return poll0(pollWrapper.pollArrayAddress,
          Math.min(totalChannels, MAX_SELECTABLE_FDS),
             readFds, writeFds, exceptFds, timeout);
}

执行 selector.select() ，poll0函数把指向socket句柄和事件的内存地址传给底层函数。

1. 如果之前没有发生事件，程序就阻塞在select处，当然不会一直阻塞，因为epoll在timeout时间内如果没有事件，也会返回。
2. 一旦有对应的事件发生，poll0方法就会返回。
3. processDeregisterQueue方法会清理那些已经cancelled的SelectionKey
4. updateSelectedKeys方法统计有事件发生的SelectionKey数量，并把符合条件发生事件的SelectionKey添加到selectedKeys哈希表中，提供给后续使用。

在早期的JDK1.4和1.5 update10版本之前，Selector基于select/poll模型实现，是基于IO复用技术的非阻塞IO，不是异步IO。在JDK1.5 update10和linux core2.6以上版本，sun优化了Selctor的实现，底层使用epoll替换了select/poll。

epoll原理

epoll是Linux下的一种IO多路复用技术，可以非常高效的处理数以百万计的socket句柄。

先看看使用c封装的3个epoll系统调用：

• int epoll_create(int size)
  epoll_create建立一个epoll对象。参数size是内核保证能够正确处理的最大句柄数，多于这个最大数时内核可不保证效果。
• int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event)
  epoll_ctl可以操作epoll_create创建的epoll，如将socket句柄加入到epoll中让其监控，或把epoll正在监控的某个socket句柄移出epoll。
• int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout)
  epoll_wait在调用时，在给定的timeout时间内，所监控的句柄中有事件发生时，就返回用户态的进程。

大概看看epoll内部是怎么实现的：

1. epoll初始化时，会向内核注册一个文件系统，用于存储被监控的句柄文件，调用epoll_create时，会在这个文件系统中创建一个file节点。同时epoll会开辟自己的内核高速缓存区，以红黑树的结构保存句柄，以支持快速的查找、插入、删除。还会再建立一个list链表，用于存储准备就绪的事件。
2. 当执行epoll_ctl时，除了把socket句柄放到epoll文件系统里file对象对应的红黑树上之外，还会给内核中断处理程序注册一个回调函数，告诉内核，如果这个句柄的中断到了，就把它放到准备就绪list链表里。所以，当一个socket上有数据到了，内核在把网卡上的数据copy到内核中后，就把socket插入到就绪链表里。
3. 当epoll_wait调用时，仅仅观察就绪链表里有没有数据，如果有数据就返回，否则就sleep，超时时立刻返回。

epoll的两种工作模式：

• LT：level-trigger，水平触发模式，只要某个socket处于readable/writable状态，无论什么时候进行epoll_wait都会返回该socket。
• ET：edge-trigger，边缘触发模式，只有某个socket从unreadable变为readable或从unwritable变为writable时，epoll_wait才会返回该socket。

socket读数据

socket读数据

socket写数据

socket写数据

read实现

通过遍历selector中的SelectionKeyImpl数组，获取发生事件的socketChannel对象，其中保存了对应的socket句柄，实现如下。

public int read(ByteBuffer buf) throws IOException {
    if (buf == null)
        throw new NullPointerException();
    synchronized (readLock) {
        if (!ensureReadOpen())
            return -1;
        int n = 0;
        try {
            begin();
            synchronized (stateLock) {
                if (!isOpen()) {
                    return 0;
                }
                readerThread = NativeThread.current();
            }
            for (;;) {
                n = IOUtil.read(fd, buf, -1, nd);
                if ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen()) {
                    // The system call was interrupted but the channel
                    // is still open, so retry
                    continue;
                }
                return IOStatus.normalize(n);
            }
        } finally {
            readerCleanup();        // Clear reader thread
            // The end method, which
            end(n > 0 || (n == IOStatus.UNAVAILABLE));

            // Extra case for socket channels: Asynchronous shutdown
            //
            synchronized (stateLock) {
                if ((n <= 0) && (!isInputOpen))
                    return IOStatus.EOF;
            }
            assert IOStatus.check(n);
        }
    }
}

通过Buffer的方式读取socket的数据。

wakeup实现

public Selector wakeup() {
    synchronized (interruptLock) {
        if (!interruptTriggered) {
            setWakeupSocket();
            interruptTriggered = true;
        }
    }
    return this;
}

// Sets Windows wakeup socket to a signaled state.
private void setWakeupSocket() {
   setWakeupSocket0(wakeupSinkFd);
}
private native void setWakeupSocket0(int wakeupSinkFd);

看来wakeupSinkFd这个变量是为wakeup方法使用的。
其中interruptTriggered为中断已触发标志，当pollWrapper.interrupt()之后，该标志即为true了；因为这个标志，连续两次wakeup，只会有一次效果。

为了实现client和server的数据交互，Linux下采用管道pipe实现，windows下采用两个socket之间的通信进行实现，它们都有这样的特性：

1. 都有两个端，一个 是read端，一个是write端，windows中两个socket也是read和write的角色。
2. 当往write端写入 数据，则read端即可以收到数据。