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Java NIO原理分析

[日期:2017-06-26] 来源:Linux社区  作者:jabnih [字体: ]

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:ChannelBuffer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:

// 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。

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

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