最近在学习Java网络编程和Netty相关的知识,了解到Netty是NIO模式的网络框架,但是提供了不同的Channel
来支持不同模式的网络通信处理,包括同步、异步、阻塞和非阻塞。学习要从基础开始,所以我们就要先了解一下相关的基础概念和Java原生的NIO。这里,就将最近我学习的知识总结一下,以供大家了解。
为了节约你的时间,本文主要内容如下:
同步和异步关注的是消息通信机制,所谓同步就是调用者进行调用后,在没有得到结果之前,该调用一直不会返回,但是一旦调用返回,就得到了返回值,同步就是指调用者主动等待调用结果;而异步则相反,执行调用之后直接返回,所以可能没有返回值,等到有返回值时,由被调用者通过状态,通知来通知调用者.异步就是指被调用者来通知调用者调用结果就绪.所以,二者在消息通信机制上有所不同,一个是调用者检查调用结果是否就绪,一个是被调用者通知调用者结果就绪 阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态.阻塞调用是指在调用结果返回之前,当前线程会被挂起,调用线程只有在得到结果之后才会继续执行.非阻塞调用是指在不能立刻得到结构之前,调用线程不会被挂起,还是可以执行其他事情. 两组概念相互组合就有四种情况,分别是同步阻塞,同步非阻塞,异步阻塞,异步非阻塞.我们来举个例子来分别类比上诉四种情况. 比如你要从网上下载一个1G的文件,按下下载按钮之后,如果你一直在电脑旁边,等待下载结束,这种情况就是同步阻塞;如果你不需要一直呆在电脑旁边,你可以去看一会书,但是你还是隔一段时间来查看一下下载进度,这种情况就是同步非阻塞;如果你一直在电脑旁边,但是下载器在下载结束之后会响起音乐来提醒你,这就是异步阻塞;但是如果你不呆在电脑旁边,去看书,下载器下载结束后响起音乐来提醒你,那么这种情况就是异步非阻塞.
知道上述两组概念之后,我们来看一下Unix下可用的5种I/O模型:
前4种都是同步,只有最后一种是异步I/O.需要注意的是Java NIO依赖于Unix系统的多路复用I/O,对于I/O操作来说,它是同步I/O,但是对于编程模型来说,它是异步网络调用.下面我们就以系统read
的调用来介绍不同的I/O类型.
当一个read
发生时,它会经历两个阶段:
不同的I/O类型,在这两个阶段中有不同的行为.但是由于这块内容比较多,而且多为表述性的知识,所以这里我们只给出几张图片来解释,感觉兴趣的同学可以去具体了解一下。
阻塞I/O
非阻塞I/O
多路复用I/O
信号驱动
异步I/O
我们都知道Netty通过JNI的方式提供了Native Socket Transport,为什么Netty
要提供自己的Native版本的NIO呢?明明Java NIO底层也是基于epoll
调用(最新的版本)的.这里,我们先不明说,大家想一想可能的情况.下列的源码都来自于OpenJDK-8u40-b25版本.
如果我们顺着Selector.open()
方法一个类一个类的找下去,很容易就发现Selector
的初始化是由DefaultSelectorProvider
根据不同操作系统平台生成的不同的SelectorProvider
,对于Linux系统,它会生成EPollSelectorProvider
实例,而这个实例会生成EPollSelectorImpl
作为最终的Selector
实现.
class EPollSelectorImpl extends SelectorImpl
{
.....
// The poll object
EPollArrayWrapper pollWrapper;
.....
EPollSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
.....
pollWrapper = new EPollArrayWrapper();
pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1);
.....
}
.....
}
EpollArrayWapper
将Linux的epoll相关系统调用封装成了native方法供EpollSelectorImpl
使用.
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;
上述三个native方法就对应Linux下epoll相关的三个系统调用
//创建一个epoll句柄,size是这个监听的数目的最大值.
int epoll_create(int size);
//事件注册函数,告诉内核epoll监听什么类型的事件,参数是感兴趣的事件类型,回调和监听的fd
int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
//等待事件的产生,类似于select调用,events参数用来从内核得到事件的集合
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout);
所以,我们会发现在EpollArrayWapper
的构造函数中调用了epollCreate
方法,创建了一个epoll的句柄.这样,Selector
对象就算创造完毕了.
与open
类似,ServerSocketChannel
的register
函数底层是调用了SelectorImpl
类的register
方法,这个SelectorImpl
就是EPollSelectorImpl
的父类.
protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
int ops,
Object attachment)
{
if (!(ch instanceof SelChImpl))
throw new IllegalSelectorException();
//生成SelectorKey来存储到hashmap中,一共之后获取
SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
//attach用户想要存储的对象
k.attach(attachment);
//调用子类的implRegister方法
synchronized (publicKeys) {
implRegister(k);
}
//设置关注的option
k.interestOps(ops);
return k;
}
EpollSelectorImpl
的相应的方法实现如下,它调用了EPollArrayWrapper
的add
方法,记录下Channel所对应的fd值,然后将ski添加到keys
变量中.在EPollArrayWrapper
中有一个byte数组eventLow
记录所有的channel的fd值.
protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
if (closed)
throw new ClosedSelectorException();
SelChImpl ch = ski.channel;
//获取Channel所对应的fd,因为在linux下socket会被当作一个文件,也会有fd
int fd = Integer.valueOf(ch.getFDVal());
fdToKey.put(fd, ski);
//调用pollWrapper的add方法,将channel的fd添加到监控列表中
pollWrapper.add(fd);
//保存到HashSet中,keys是SelectorImpl的成员变量
keys.add(ski);
}
我们会发现,调用register
方法并没有涉及到EpollArrayWrapper
中的native方法epollCtl
的调用,这是因为他们将这个方法的调用推迟到Select
方法中去了.
和register
方法类似,SelectorImpl
中的select
方法最终调用了其子类EpollSelectorImpl
的doSelect
方法
protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
.....
try {
....
//调用了poll方法,底层调用了native的epollCtl和epollWait方法
pollWrapper.poll(timeout);
} finally {
....
}
....
//更新selectedKeys,为之后的selectedKeys函数做准备
int numKeysUpdated = updateSelectedKeys();
....
return numKeysUpdated;
}
由上述的代码,可以看到,EPollSelectorImpl
先调用EPollArrayWapper
的poll
方法,然后在更新SelectedKeys
.其中poll
方法会先调用epollCtl
来注册先前在register
方法中保存的Channel的fd和感兴趣的事件类型,然后epollWait
方法等待感兴趣事件的生成,导致线程阻塞.
int poll(long timeout) throws IOException {
updateRegistrations(); ////先调用epollCtl,更新关注的事件类型
////导致阻塞,等待事件产生
updated = epollWait(pollArrayAddress, NUM_EPOLLEVENTS, timeout, epfd);
.....
return updated;
}
等待关注的事件产生之后(或在等待时间超过预先设置的最大时间),epollWait
函数就会返回.select
函数从阻塞状态恢复.
我们先来看SelectorImpl
中的selectedKeys
方法.
//是通过Util.ungrowableSet生成的,不能添加,只能减少
private Set<SelectionKey> publicSelectedKeys;
public Set<SelectionKey> selectedKeys() {
....
return publicSelectedKeys;
}
很奇怪啊,怎麽直接就返回publicSelectedKeys
了,难道在select
函数的执行过程中有修改过这个变量吗?
publicSelectedKeys
这个对象其实是selectedKeys
变量的一份副本,你可以在SelectorImpl
的构造函数中找到它们俩的关系,我们再回头看一下select
中updateSelectedKeys
方法.
private int updateSelectedKeys() {
//更新了的keys的个数,或在说是产生的事件的个数
int entries = pollWrapper.updated;
int numKeysUpdated = 0;
for (int i=0; i<entries; i++) {
//对应的channel的fd
int nextFD = pollWrapper.getDescriptor(i);
//通过fd找到对应的SelectionKey
SelectionKeyImpl ski = fdToKey.get(Integer.valueOf(nextFD));
if (ski != null) {
int rOps = pollWrapper.getEventOps(i);
//更新selectedKey变量,并通知响应的channel来做响应的处理
if (selectedKeys.contains(ski)) {
if (ski.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, ski)) {
numKeysUpdated++;
}
} else {
ski.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, ski);
if ((ski.nioReadyOps() & ski.nioInterestOps()) != 0) {
selectedKeys.add(ski);
numKeysUpdated++;
}
}
}
}
return numKeysUpdated;
}
看到这里,详细大家都已经了解到了NIO的底层实现了吧.这里我想在说两个问题.
一是为什么Netty自己又从新实现了一边native相关的NIO底层方法? 听听Netty的创始人是怎麽说的吧(链接在末尾)。因为Java的版本使用的epoll的level-triggered模式,而Netty则希望使用edge-triggered模式,而且Java版本没有将epoll的部分配置项暴露出来,比如说TCP_CORK和SO_REUSEPORT。
二是看这么多源码,花费这么多时间有什么作用呢?我感觉如果从非功利的角度来看,那么就是纯粹的希望了解的更多,有时候看完源码或在理解了底层原理之后,都会用一种恍然大悟的感觉,比如说AQS
的原理.如果从目的性的角度来看,那么就是你知道底层原理之后,你的把握性就更强了,如果出了问题,你可以更快的找出来,并且解决.除此之外,你还可以按照具体的现实情况,以源码为模板在自己造轮子,实现一个更加符合你当前需求的版本.
后续如果有时间,我希望好好了解一下epoll的操作系统级别的实现原理.