Java nio 原理你不知道？那看这篇文章吧

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 2022-08-12
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原文地址：https://cloud.tencent.com/developer/article/1090427

了解java的NIO，需要先了解同步异步以及阻塞非阻塞的概念，同步/异步，阻塞/非阻塞

NIO就是采用的同步非阻塞这种组合方式。或简单一点，采用的是IO复用的策略，可以使用一个线程管理多个IO连接。

BIO

常见使用方式

传统的BIO是同步阻塞的方式，因此，在服务器中常见的使用方式是：

  • 来一个请求创建一个线程，阻塞的等待网络IO的数据。
  • 使用一个线程池，来一个请求就从线程池里取出来一个线程，阻塞的等待网络IO的数据。

两种方式的图例：

202208122251220321.png

202208122251237232.png

BIO面临的问题

上面的方案可能会出现的问题是

  • 针对第一种方式，如果短时间内qps过高，可能会导致线程数过多，拖垮服务器。
  • 针对第二种方式，现在一般用的http1.1支持长连接，若系统中有大量的长连接没有释放，依然在阻塞的等待网络IO，就会导致线程池资源慢慢被消耗调，最终可能导致线程池满无法提供服务。

总结一下，上述两点问题的原因，其共同点是可能会有很多的空闲线程阻塞的等待IO，导致服务器以各种表现形式没有办法继续对外提供服务。

NIO

NIO的IO多路复用

因此，如果是同步非阻塞的方式，可以只需要一个线程，管理多个IO连接。一旦有连接可以读/写，才开启一个线程进行读/写、执行相应的操作。如下：

202208122251252853.png

Java中的NIO

原理接说到这里，下面看一下jdk中NIO的实现和用法。jdk中的NIO的实现，主要几个部分是Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

  • Channel提供从文件、网络读取数据的通道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。通道是双向的，通过一个Channel既可以进行读，也可以进行写
  • Buffer，故名思意，缓冲区，实际上是一个容器，是一个连续数组。服务端接收数据必须通过Channel将数据读入到Buffer中，然后再从Buffer中取出数据来处理。
  • Selector类是NIO的核心类，Selector能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。

在一个基于NIO的IO多路复用的具体应用场景中，它们之间的关系可能是这样的：

202208122251267994.png

其中，一个线程管理一个Selector，而一个Selector管理多个Channel，被管理的Channel需要在该Selector上注册自己感兴趣的事件，如Accept，Read，Write等。

每个Channel对应一个缓冲区Buffer，每次Channel中有数据可以读写的时候，就读写到缓冲区中。然后程序再对缓冲区进行操作。

这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用相应的方法或者线程来进行读写、操作，大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多个空闲连接的多线程之间的上下文切换导致的开销。

Selector

既然NIO是非阻塞，其实就是把阻塞的位置从系统的CPU层面提到了程序层面，那么当Channel中注册的感兴趣的事件就绪时，Selector需要通过某种策略得知Channel数据已经就绪，可以采用轮询、事件驱动等方式。这里就封装成了Selector的select方法，返回值是已经就绪的通道的数量。

当Selector得知有通道对其感兴趣的事件就绪时，就取出所有已经就绪的通道，进行读写或者其它操作。Selector的 selectedKeys()方法就封装了取出所有就绪的通道的事件，返回值是一个SelectionKey的集合。SelectionKey中封装了一个Channel与selector的对应关系、Channel感兴趣的事件、Channel哪种事件已经就绪的判断(isReadable、isWritable等)。

Selector的工作方式

看一下Selector的工作方式：

202208122251283145.png

流程总结如下：

  • 通过 Selector.open() 打开一个 Selector.
  • 将 Channel 注册到 Selector 中, 并设置需要监听的事件(interest set)
  • 不断重复:
    • 调用 select() 方法，阻塞获取到就绪通道
    • 调用 selector.selectedKeys() 获取 selected keys
    • 迭代每个selected keys，对每个 selected key:
    1. 从 selected key 中获取 对应的 Channel 和附加信息(如果有的话)
    2. 判断是哪些 IO 事件已经就绪了, 然后处理它们. 如果是 OP_ACCEPT 事件, 则获取 SocketChannel, 并将它设置为 非阻塞的, 然后将这个 Channel 注册到 Selector 中.，如果是读/写事件，则进行读写操作。
    3. 根据需要更改 selected key 的监听事件.
    4. 将已经处理过的 key 从 selected keys 集合中删除.

需要注意的一点是，图中第4步中的select方法，有几个重载的方法：

select() 阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select(long timeout) 和select()一样，但最长阻塞事件为timeout毫秒。

selectNow() 非阻塞，立即返回结果，如果没有已就绪事件，直接返回0。

IO多路复用

由一个线程管理一个Selector，一个Selector可以管理多个通道Channel。当调用Selector的select方法时，会阻塞的等待操作系统返回已经就绪的IO通道。这里用到的技术是IO多路复用，从而实现了同步非阻塞，解决了一个请求一个线程一直在阻塞的问题。因为一个selector线程管理了多个连接、通道，select一旦拿到有准备就绪的通道，无论是在本线程内对其做读写操作，还是交给一个其他线程去做读写操作，这个时候Selector所在的线程其实一直是可用的，并没有因为其他通道还未就绪而一直空闲。

同步

因为我们的Selector线程是去主动问操作系统有没有IO已经就绪，若就绪则进行读写(用户空间内核空间数据copy)，而不是操作系统把数据准备好之后(用户空间内核空间数据copy完成)再来通知我们的程序。所以说这里的IO是同步的。

非阻塞

因为Selector线程对于每一个通道的数据，并没有等待数据就绪，而是直接返回，所以这里的IO是非阻塞的。上面提到的阻塞等待，等待的是这个Selector所管理的所有通道。也因此一个Selector线程可以管理多个IO通道。

综上所述，Java的NIO是以Selector为核心的，基于同步非阻塞的IO多路复用。

OS的IO多路复用

那么，Selector是如何得知哪些通道是就已经就绪了呢？这里涉及到的系统调用是select，poll，epoll。既然我们的程序使用了IO多路复用实现了一个线程管理多个IO，那么操作系统告诉我们已就绪的IO通道时，底层是否也采用了IO多路复用呢？操作系统的IO多路复用(IO multiplexing)就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

所以总结来说，就是我们的用户线程使用IO多路复用，管理多个IO通道，一旦有通道就绪，就进行读写。而我们的操作系统同样采用了IO多路复用，一旦有socket数据准备就绪，就通知我们的的用户线程。

select()的实现

翻一番Selector实现类的源码，select()方法其实还是调用了select(long timeout)方法。

    public int select() throws IOException {  
        return this.select(0L);  
    }  
      
      
    public int select(long timeout) throws IOException {  
        if (timeout < 0L) {  
            throw new IllegalArgumentException("Negative timeout");  
        } else {  
            return this.lockAndDoSelect(timeout == 0L ? -1L : timeout);  
        }  
    }  
      
      
    public int selectNow() throws IOException {  
        return this.lockAndDoSelect(0L);  
    }

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看得出来，select阻塞获取操作系统就绪通道的关键的实现在于lockAndDoSelect方法中：

    private int lockAndDoSelect(long var1) throws IOException {  
        synchronized(this) {  
            if (!this.isOpen()) {  
                throw new ClosedSelectorException();  
            } else {  
                Set var4 = this.publicKeys;  
                int var10000;  
                synchronized(this.publicKeys) {  
                    Set var5 = this.publicSelectedKeys;  
                    synchronized(this.publicSelectedKeys) {  
                        var10000 = this.doSelect(var1);  
                    }  
                }  
      
                return var10000;  
            }  
        }  
    }

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加了两个锁，然后会调用一个doSelect方法。doSelect方法由子类实现，有PollSelectorImpl、EPollSelectorImpl。他们实现doSelect时分别调用了本地方法poll0、epollWait，分别对应操作系统的poll、epoll策略。

在调用Selector的open方时，就已经根据操作系统、内核版本决定了采用哪种IO复用策略，简单看一下sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider#create里Selector的创建：

    public static SelectorProvider create() {  
        String var0 = (String)AccessController.doPrivileged(new GetPropertyAction("os.name"));  
        if (var0.equals("SunOS")) {  
            return createProvider("sun.nio.ch.DevPollSelectorProvider");  
        } else {  
            return (SelectorProvider)(var0.equals("Linux") ? createProvider("sun.nio.ch.EPollSelectorProvider") : new PollSelectorProvider());  
        }  
    }

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如果是Linux系统的话，使用的是操作系统的epoll 的策略

对于操作系统来说：

epoll：如果有IO已经就绪，会给用户线程返回所有就绪的事件，可以对这个就绪的IO通道进行读写。

poll：得到有就绪的IO时，需要遍历去查询哪些IO是已就绪的，然后返回给用户线程去读写。

参考文章：

Java NIO系列教程

Java NIO：NIO概述

Java IO & NIO & NIO2

Java 网络 IO 模型

Java NIO系列教程（六） 多路复用器Selector

Java 网络IO编程总结（BIO、NIO、AIO均含完整实例代码）

Java NIO 反应堆模式简单模型

Java NIO(7): Epoll版的Selector

Linux IO模式及 select、poll、epoll详解