Java充电社
专辑
博文
联系我
本人继续续收门徒，亲手指导
Netty第1篇：NIO
相关专辑：
Netty专题
<div style="display:none"></div> > 本套视频教程内容丰富讲解透彻由浅入深，循序渐进，每个技术点既有理论讲解，又有配套实践案例，真正的理论与实践相结合。教程内容涵盖：阻塞和非阻塞IO、Channel通道、Buffer缓冲区、Selector选择器、Pipe管道、FileLock文件锁，以及Path、Files、异步FileChannel和Charset字符编码等，并通过一个多人聊天室的综合案例，把所有的NIO知识点做了实践应用。 ## 前置教程(必学) <a href="http://itsoku.com/course/23" target="_blank">http://itsoku.com/course/23</a> ## 本教程资源 ### 在线视频 <a href="https://www.bilibili.com/video/BV1py4y1E7oA" target="_blank">https://www.bilibili.com/video/BV1py4y1E7oA</a> ### 网盘 ```shell 链接：https://pan.baidu.com/s/1ChtAgZXw2LL_DFI9tA18Mg 提取码：yyds ``` ## 1. 三大组件 ### 1.1 Channel & Buffer channel 有一点类似于 stream，它就是读写数据的**双向通道**，可以从 channel 将数据读入 buffer，也可以将 buffer 的数据写入 channel，而之前的 stream 要么是输入，要么是输出，channel 比 stream 更为底层 ```mermaid graph LR channel --> buffer buffer --> channel ``` 常见的 Channel 有 * FileChannel * DatagramChannel * SocketChannel * ServerSocketChannel buffer 则用来缓冲读写数据，常见的 buffer 有 * ByteBuffer * MappedByteBuffer * DirectByteBuffer * HeapByteBuffer * ShortBuffer * IntBuffer * LongBuffer * FloatBuffer * DoubleBuffer * CharBuffer ### 1.2 Selector selector 单从字面意思不好理解，需要结合服务器的设计演化来理解它的用途 #### 多线程版设计 ```mermaid graph TD subgraph 多线程版 t1(thread) --> s1(socket1) t2(thread) --> s2(socket2) t3(thread) --> s3(socket3) end ``` #### 多线程版缺点 * 内存占用高 * 线程上下文切换成本高 * 只适合连接数少的场景 #### 线程池版设计 ```mermaid graph TD subgraph 线程池版 t4(thread) --> s4(socket1) t5(thread) --> s5(socket2) t4(thread) -.-> s6(socket3) t5(thread) -.-> s7(socket4) end ``` #### 线程池版缺点 * 阻塞模式下，线程仅能处理一个 socket 连接 * 仅适合短连接场景 #### selector 版设计 selector 的作用就是配合一个线程来管理多个 channel，获取这些 channel 上发生的事件，这些 channel 工作在非阻塞模式下，不会让线程吊死在一个 channel 上。适合连接数特别多，但流量低的场景（low traffic） ```mermaid graph TD subgraph selector 版 thread --> selector selector --> c1(channel) selector --> c2(channel) selector --> c3(channel) end ``` 调用 selector 的 select() 会阻塞直到 channel 发生了读写就绪事件，这些事件发生，select 方法就会返回这些事件交给 thread 来处理 ## 2. ByteBuffer 有一普通文本文件 data.txt，内容为 ``` 1234567890abcd ``` 使用 FileChannel 来读取文件内容 ```java @Slf4j public class ChannelDemo1 { public static void main(String[] args) { try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/data.txt", "rw")) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10); do { // 向 buffer 写入 int len = channel.read(buffer); log.debug("读到字节数：{}", len); if (len == -1) { break; } // 切换 buffer 读模式 buffer.flip(); while(buffer.hasRemaining()) { log.debug("{}", (char)buffer.get()); } // 切换 buffer 写模式 buffer.clear(); } while (true); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 输出 ``` 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：10 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 1 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 2 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 3 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 5 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 6 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 7 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 8 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 9 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 0 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：4 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - a 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - b 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - c 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - d 10:39:03 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo1 - 读到字节数：-1 ``` ### 2.1 ByteBuffer 正确使用姿势 1. 向 buffer 写入数据，例如调用 channel.read(buffer) 2. 调用 flip() 切换至**读模式** 3. 从 buffer 读取数据，例如调用 buffer.get() 4. 调用 clear() 或 compact() 切换至**写模式** 5. 重复 1~4 步骤 ### 2.2 ByteBuffer 结构 ByteBuffer 有以下重要属性 * capacity * position * limit 一开始  写模式下，position 是写入位置，limit 等于容量，下图表示写入了 4 个字节后的状态  flip 动作发生后，position 切换为读取位置，limit 切换为读取限制  读取 4 个字节后，状态  clear 动作发生后，状态  compact 方法，是把未读完的部分向前压缩，然后切换至写模式  #### 调试工具类 ```java public class ByteBufferUtil { private static final char[] BYTE2CHAR = new char[256]; private static final char[] HEXDUMP_TABLE = new char[256 * 4]; private static final String[] HEXPADDING = new String[16]; private static final String[] HEXDUMP_ROWPREFIXES = new String[65536 >>> 4]; private static final String[] BYTE2HEX = new String[256]; private static final String[] BYTEPADDING = new String[16]; static { final char[] DIGITS = "0123456789abcdef".toCharArray(); for (int i = 0; i < 256; i++) { HEXDUMP_TABLE[i << 1] = DIGITS[i >>> 4 & 0x0F]; HEXDUMP_TABLE[(i << 1) + 1] = DIGITS[i & 0x0F]; } int i; // Generate the lookup table for hex dump paddings for (i = 0; i < HEXPADDING.length; i++) { int padding = HEXPADDING.length - i; StringBuilder buf = new StringBuilder(padding * 3); for (int j = 0; j < padding; j++) { buf.append(" "); } HEXPADDING[i] = buf.toString(); } // Generate the lookup table for the start-offset header in each row (up to 64KiB). for (i = 0; i < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length; i++) { StringBuilder buf = new StringBuilder(12); buf.append(NEWLINE); buf.append(Long.toHexString(i << 4 & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L)); buf.setCharAt(buf.length() - 9, '|'); buf.append('|'); HEXDUMP_ROWPREFIXES[i] = buf.toString(); } // Generate the lookup table for byte-to-hex-dump conversion for (i = 0; i < BYTE2HEX.length; i++) { BYTE2HEX[i] = ' ' + StringUtil.byteToHexStringPadded(i); } // Generate the lookup table for byte dump paddings for (i = 0; i < BYTEPADDING.length; i++) { int padding = BYTEPADDING.length - i; StringBuilder buf = new StringBuilder(padding); for (int j = 0; j < padding; j++) { buf.append(' '); } BYTEPADDING[i] = buf.toString(); } // Generate the lookup table for byte-to-char conversion for (i = 0; i < BYTE2CHAR.length; i++) { if (i <= 0x1f || i >= 0x7f) { BYTE2CHAR[i] = '.'; } else { BYTE2CHAR[i] = (char) i; } } } /** * 打印所有内容 * @param buffer */ public static void debugAll(ByteBuffer buffer) { int oldlimit = buffer.limit(); buffer.limit(buffer.capacity()); StringBuilder origin = new StringBuilder(256); appendPrettyHexDump(origin, buffer, 0, buffer.capacity()); System.out.println("+--------+-------------------- all ------------------------+----------------+"); System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), oldlimit); System.out.println(origin); buffer.limit(oldlimit); } /** * 打印可读取内容 * @param buffer */ public static void debugRead(ByteBuffer buffer) { StringBuilder builder = new StringBuilder(256); appendPrettyHexDump(builder, buffer, buffer.position(), buffer.limit() - buffer.position()); System.out.println("+--------+-------------------- read -----------------------+----------------+"); System.out.printf("position: [%d], limit: [%d]\n", buffer.position(), buffer.limit()); System.out.println(builder); } private static void appendPrettyHexDump(StringBuilder dump, ByteBuffer buf, int offset, int length) { if (isOutOfBounds(offset, length, buf.capacity())) { throw new IndexOutOfBoundsException( "expected: " + "0 <= offset(" + offset + ") <= offset + length(" + length + ") <= " + "buf.capacity(" + buf.capacity() + ')'); } if (length == 0) { return; } dump.append( " +-------------------------------------------------+" + NEWLINE + " | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f |" + NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+"); final int startIndex = offset; final int fullRows = length >>> 4; final int remainder = length & 0xF; // Dump the rows which have 16 bytes. for (int row = 0; row < fullRows; row++) { int rowStartIndex = (row << 4) + startIndex; // Per-row prefix. appendHexDumpRowPrefix(dump, row, rowStartIndex); // Hex dump int rowEndIndex = rowStartIndex + 16; for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) { dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]); } dump.append(" |"); // ASCII dump for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) { dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]); } dump.append('|'); } // Dump the last row which has less than 16 bytes. if (remainder != 0) { int rowStartIndex = (fullRows << 4) + startIndex; appendHexDumpRowPrefix(dump, fullRows, rowStartIndex); // Hex dump int rowEndIndex = rowStartIndex + remainder; for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) { dump.append(BYTE2HEX[getUnsignedByte(buf, j)]); } dump.append(HEXPADDING[remainder]); dump.append(" |"); // Ascii dump for (int j = rowStartIndex; j < rowEndIndex; j++) { dump.append(BYTE2CHAR[getUnsignedByte(buf, j)]); } dump.append(BYTEPADDING[remainder]); dump.append('|'); } dump.append(NEWLINE + "+--------+-------------------------------------------------+----------------+"); } private static void appendHexDumpRowPrefix(StringBuilder dump, int row, int rowStartIndex) { if (row < HEXDUMP_ROWPREFIXES.length) { dump.append(HEXDUMP_ROWPREFIXES[row]); } else { dump.append(NEWLINE); dump.append(Long.toHexString(rowStartIndex & 0xFFFFFFFFL | 0x100000000L)); dump.setCharAt(dump.length() - 9, '|'); dump.append('|'); } } public static short getUnsignedByte(ByteBuffer buffer, int index) { return (short) (buffer.get(index) & 0xFF); } } ``` ### 2.3 ByteBuffer 常见方法 #### 分配空间 可以使用 allocate 方法为 ByteBuffer 分配空间，其它 buffer 类也有该方法 ```java Bytebuffer buf = ByteBuffer.allocate(16); ``` #### 向 buffer 写入数据 有两种办法 * 调用 channel 的 read 方法 * 调用 buffer 自己的 put 方法 ```java int readBytes = channel.read(buf); ``` 和 ```java buf.put((byte)127); ``` #### 从 buffer 读取数据 同样有两种办法 * 调用 channel 的 write 方法 * 调用 buffer 自己的 get 方法 ```java int writeBytes = channel.write(buf); ``` 和 ```java byte b = buf.get(); ``` get 方法会让 position 读指针向后走，如果想重复读取数据 * 可以调用 rewind 方法将 position 重新置为 0 * 或者调用 get(int i) 方法获取索引 i 的内容，它不会移动读指针 #### mark 和 reset mark 是在读取时，做一个标记，即使 position 改变，只要调用 reset 就能回到 mark 的位置 > **注意** > > rewind 和 flip 都会清除 mark 位置 #### 字符串与 ByteBuffer 互转 ```java ByteBuffer buffer1 = StandardCharsets.UTF_8.encode("你好"); ByteBuffer buffer2 = Charset.forName("utf-8").encode("你好"); debug(buffer1); debug(buffer2); CharBuffer buffer3 = StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer1); System.out.println(buffer3.getClass()); System.out.println(buffer3.toString()); ``` 输出 ``` +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd |...... | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| e4 bd a0 e5 a5 bd |...... | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ class java.nio.HeapCharBuffer 你好 ``` #### Buffer 的线程安全 > Buffer 是**非线程安全的** ### 2.4 Scattering Reads 分散读取，有一个文本文件 3parts.txt ``` onetwothree ``` 使用如下方式读取，可以将数据填充至多个 buffer ```java try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer a = ByteBuffer.allocate(3); ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(3); ByteBuffer c = ByteBuffer.allocate(5); channel.read(new ByteBuffer[]{a, b, c}); a.flip(); b.flip(); c.flip(); debug(a); debug(b); debug(c); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } ``` 结果 ``` +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 6f 6e 65 |one | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 74 77 6f |two | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 74 68 72 65 65 |three | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ ``` ### 2.5 Gathering Writes 使用如下方式写入，可以将多个 buffer 的数据填充至 channel ```java try (RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("helloword/3parts.txt", "rw")) { FileChannel channel = file.getChannel(); ByteBuffer d = ByteBuffer.allocate(4); ByteBuffer e = ByteBuffer.allocate(4); channel.position(11); d.put(new byte[]{'f', 'o', 'u', 'r'}); e.put(new byte[]{'f', 'i', 'v', 'e'}); d.flip(); e.flip(); debug(d); debug(e); channel.write(new ByteBuffer[]{d, e}); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } ``` 输出 ``` +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 66 6f 75 72 |four | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 66 69 76 65 |five | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ ``` 文件内容 ``` onetwothreefourfive ``` ### 2.6 练习 网络上有多条数据发送给服务端，数据之间使用 \n 进行分隔 但由于某种原因这些数据在接收时，被进行了重新组合，例如原始数据有3条为 * Hello,world\n * I'm zhangsan\n * How are you?\n 变成了下面的两个 byteBuffer (黏包，半包) * Hello,world\nI'm zhangsan\nHo * w are you?\n 现在要求你编写程序，将错乱的数据恢复成原始的按 \n 分隔的数据 ```java public static void main(String[] args) { ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32); // 11 24 source.put("Hello,world\nI'm zhangsan\nHo".getBytes()); split(source); source.put("w are you?\nhaha!\n".getBytes()); split(source); } private static void split(ByteBuffer source) { source.flip(); int oldLimit = source.limit(); for (int i = 0; i < oldLimit; i++) { if (source.get(i) == '\n') { System.out.println(i); ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(i + 1 - source.position()); // 0 ~ limit source.limit(i + 1); target.put(source); // 从source 读，向 target 写 debugAll(target); source.limit(oldLimit); } } source.compact(); } ``` ## 3. 文件编程 ### 3.1 FileChannel #### FileChannel 工作模式 > FileChannel 只能工作在阻塞模式下 #### 获取 不能直接打开 FileChannel，必须通过 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 来获取 FileChannel，它们都有 getChannel 方法 * 通过 FileInputStream 获取的 channel 只能读 * 通过 FileOutputStream 获取的 channel 只能写 * 通过 RandomAccessFile 是否能读写根据构造 RandomAccessFile 时的读写模式决定 #### 读取 会从 channel 读取数据填充 ByteBuffer，返回值表示读到了多少字节，-1 表示到达了文件的末尾 ```java int readBytes = channel.read(buffer); ``` #### 写入 写入的正确姿势如下， SocketChannel ```java ByteBuffer buffer = ...; buffer.put(...); // 存入数据 buffer.flip(); // 切换读模式 while(buffer.hasRemaining()) { channel.write(buffer); } ``` 在 while 中调用 channel.write 是因为 write 方法并不能保证一次将 buffer 中的内容全部写入 channel #### 关闭 channel 必须关闭，不过调用了 FileInputStream、FileOutputStream 或者 RandomAccessFile 的 close 方法会间接地调用 channel 的 close 方法 #### 位置 获取当前位置 ```java long pos = channel.position(); ``` 设置当前位置 ```java long newPos = ...; channel.position(newPos); ``` 设置当前位置时，如果设置为文件的末尾 * 这时读取会返回 -1 * 这时写入，会追加内容，但要注意如果 position 超过了文件末尾，再写入时在新内容和原末尾之间会有空洞（00） #### 大小 使用 size 方法获取文件的大小 #### 强制写入 操作系统出于性能的考虑，会将数据缓存，不是立刻写入磁盘。可以调用 force(true) 方法将文件内容和元数据（文件的权限等信息）立刻写入磁盘 ### 3.2 两个 Channel 传输数据 ```java String FROM = "helloword/data.txt"; String TO = "helloword/to.txt"; long start = System.nanoTime(); try (FileChannel from = new FileInputStream(FROM).getChannel(); FileChannel to = new FileOutputStream(TO).getChannel(); ) { from.transferTo(0, from.size(), to); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } long end = System.nanoTime(); System.out.println("transferTo 用时：" + (end - start) / 1000_000.0); ``` 输出 ``` transferTo 用时：8.2011 ``` 超过 2g 大小的文件传输 ```java public class TestFileChannelTransferTo { public static void main(String[] args) { try ( FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel(); FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel(); ) { // 效率高，底层会利用操作系统的零拷贝进行优化 long size = from.size(); // left 变量代表还剩余多少字节 for (long left = size; left > 0; ) { System.out.println("position:" + (size - left) + " left:" + left); left -= from.transferTo((size - left), left, to); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 实际传输一个超大文件 ``` position:0 left:7769948160 position:2147483647 left:5622464513 position:4294967294 left:3474980866 position:6442450941 left:1327497219 ``` ### 3.3 Path jdk7 引入了 Path 和 Paths 类 * Path 用来表示文件路径 * Paths 是工具类，用来获取 Path 实例 ```java Path source = Paths.get("1.txt"); // 相对路径 使用 user.dir 环境变量来定位 1.txt Path source = Paths.get("d:\\1.txt"); // 绝对路径 代表了 d:\1.txt Path source = Paths.get("d:/1.txt"); // 绝对路径 同样代表了 d:\1.txt Path projects = Paths.get("d:\\data", "projects"); // 代表了 d:\data\projects ``` * `.` 代表了当前路径 * `..` 代表了上一级路径 例如目录结构如下 ``` d: |- data |- projects |- a |- b ``` 代码 ```java Path path = Paths.get("d:\\data\\projects\\a\\..\\b"); System.out.println(path); System.out.println(path.normalize()); // 正常化路径 ``` 会输出 ``` d:\data\projects\a\..\b d:\data\projects\b ``` ### 3.4 Files 检查文件是否存在 ```java Path path = Paths.get("helloword/data.txt"); System.out.println(Files.exists(path)); ``` 创建一级目录 ```java Path path = Paths.get("helloword/d1"); Files.createDirectory(path); ``` * 如果目录已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException * 不能一次创建多级目录，否则会抛异常 NoSuchFileException 创建多级目录用 ```java Path path = Paths.get("helloword/d1/d2"); Files.createDirectories(path); ``` 拷贝文件 ```java Path source = Paths.get("helloword/data.txt"); Path target = Paths.get("helloword/target.txt"); Files.copy(source, target); ``` * 如果文件已存在，会抛异常 FileAlreadyExistsException 如果希望用 source 覆盖掉 target，需要用 StandardCopyOption 来控制 ```java Files.copy(source, target, StandardCopyOption.REPLACE_EXISTING); ``` 移动文件 ```java Path source = Paths.get("helloword/data.txt"); Path target = Paths.get("helloword/data.txt"); Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE); ``` * StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE 保证文件移动的原子性 删除文件 ```java Path target = Paths.get("helloword/target.txt"); Files.delete(target); ``` * 如果文件不存在，会抛异常 NoSuchFileException 删除目录 ```java Path target = Paths.get("helloword/d1"); Files.delete(target); ``` * 如果目录还有内容，会抛异常 DirectoryNotEmptyException 遍历目录文件 ```java public static void main(String[] args) throws IOException { Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91"); AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger(); AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger(); Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){ @Override public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException { System.out.println(dir); dirCount.incrementAndGet(); return super.preVisitDirectory(dir, attrs); } @Override public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException { System.out.println(file); fileCount.incrementAndGet(); return super.visitFile(file, attrs); } }); System.out.println(dirCount); // 133 System.out.println(fileCount); // 1479 } ``` 统计 jar 的数目 ```java Path path = Paths.get("C:\\Program Files\\Java\\jdk1.8.0_91"); AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger(); Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){ @Override public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException { if (file.toFile().getName().endsWith(".jar")) { fileCount.incrementAndGet(); } return super.visitFile(file, attrs); } }); System.out.println(fileCount); // 724 ``` 删除多级目录 ```java Path path = Paths.get("d:\\a"); Files.walkFileTree(path, new SimpleFileVisitor<Path>(){ @Override public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException { Files.delete(file); return super.visitFile(file, attrs); } @Override public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException { Files.delete(dir); return super.postVisitDirectory(dir, exc); } }); ``` ### 3.5 删除很危险 > 删除是危险操作，确保要递归删除的文件夹没有重要内容 拷贝多级目录 ```java long start = System.currentTimeMillis(); String source = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64"; String target = "D:\\Snipaste-1.16.2-x64aaa"; Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> { try { String targetName = path.toString().replace(source, target); // 是目录 if (Files.isDirectory(path)) { Files.createDirectory(Paths.get(targetName)); } // 是普通文件 else if (Files.isRegularFile(path)) { Files.copy(path, Paths.get(targetName)); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }); long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println(end - start); ``` ## 4. 网络编程 ### 4.1 非阻塞 vs 阻塞 #### 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 服务器端 ```java // 使用 nio 来理解阻塞模式, 单线程 // 0. ByteBuffer ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // 1. 创建了服务器 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); // 2. 绑定监听端口 ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); // 3. 连接集合 List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>(); while (true) { // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信 log.debug("connecting..."); SocketChannel sc = ssc.accept(); // 阻塞方法，线程停止运行 log.debug("connected... {}", sc); channels.add(sc); for (SocketChannel channel : channels) { // 5. 接收客户端发送的数据 log.debug("before read... {}", channel); channel.read(buffer); // 阻塞方法，线程停止运行 buffer.flip(); debugRead(buffer); buffer.clear(); log.debug("after read...{}", channel); } } ``` 客户端 ```java SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)); System.out.println("waiting..."); ``` #### 非阻塞 * 非阻塞模式下，相关方法都会不会让线程暂停 * 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行 * SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行 ServerSocketChannel.accept * 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去 * 但非阻塞模式下，即使没有连接建立，和可读数据，线程仍然在不断运行，白白浪费了 cpu * 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO 改进的地方） 服务器端，客户端代码不变 ```java // 使用 nio 来理解非阻塞模式, 单线程 // 0. ByteBuffer ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // 1. 创建了服务器 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式 // 2. 绑定监听端口 ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); // 3. 连接集合 List<SocketChannel> channels = new ArrayList<>(); while (true) { // 4. accept 建立与客户端连接， SocketChannel 用来与客户端之间通信 SocketChannel sc = ssc.accept(); // 非阻塞，线程还会继续运行，如果没有连接建立，但sc是null if (sc != null) { log.debug("connected... {}", sc); sc.configureBlocking(false); // 非阻塞模式 channels.add(sc); } for (SocketChannel channel : channels) { // 5. 接收客户端发送的数据 int read = channel.read(buffer);// 非阻塞，线程仍然会继续运行，如果没有读到数据，read 返回 0 if (read > 0) { buffer.flip(); debugRead(buffer); buffer.clear(); log.debug("after read...{}", channel); } } } ``` #### 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 没法利用多路复用 * 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 ### 4.2 Selector ```mermaid graph TD subgraph selector 版 thread --> selector selector --> c1(channel) selector --> c2(channel) selector --> c3(channel) end ``` 好处 * 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功 * 让这个线程能够被充分利用 * 节约了线程的数量 * 减少了线程上下文切换 #### 创建 ```java Selector selector = Selector.open(); ``` #### 绑定 Channel 事件 也称之为注册事件，绑定的事件 selector 才会关心 ```java channel.configureBlocking(false); SelectionKey key = channel.register(selector, 绑定事件); ``` * 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 #### 监听 Channel 事件 可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件 方法1，阻塞直到绑定事件发生 ```java int count = selector.select(); ``` 方法2，阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms） ```java int count = selector.select(long timeout); ``` 方法3，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 ```java int count = selector.selectNow(); ``` #### select 何时不阻塞 > * 事件发生时 > * 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件 > * 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件 > * channel 可写，会触发 write 事件 > * 在 linux 下 nio bug 发生时 > * 调用 selector.wakeup() > * 调用 selector.close() > * selector 所在线程 interrupt ### 4.3 处理 accept 事件 客户端代码为 ```java public class Client { public static void main(String[] args) { try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080)) { System.out.println(socket); socket.getOutputStream().write("world".getBytes()); System.in.read(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 服务器端代码为 ```java @Slf4j public class ChannelDemo6 { public static void main(String[] args) { try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) { channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println(channel); Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { int count = selector.select(); // int count = selector.selectNow(); log.debug("select count: {}", count); // if(count <= 0) { // continue; // } // 获取所有事件 Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); // 遍历所有事件，逐一处理 Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); // 判断事件类型 if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel(); // 必须处理 SocketChannel sc = c.accept(); log.debug("{}", sc); } // 处理完毕，必须将事件移除 iter.remove(); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` #### 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 ### 4.4 处理 read 事件 ```java @Slf4j public class ChannelDemo6 { public static void main(String[] args) { try (ServerSocketChannel channel = ServerSocketChannel.open()) { channel.bind(new InetSocketAddress(8080)); System.out.println(channel); Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); channel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { int count = selector.select(); // int count = selector.selectNow(); log.debug("select count: {}", count); // if(count <= 0) { // continue; // } // 获取所有事件 Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys(); // 遍历所有事件，逐一处理 Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); // 判断事件类型 if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel(); // 必须处理 SocketChannel sc = c.accept(); sc.configureBlocking(false); sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); log.debug("连接已建立: {}", sc); } else if (key.isReadable()) { SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128); int read = sc.read(buffer); if(read == -1) { key.cancel(); sc.close(); } else { buffer.flip(); debug(buffer); } } // 处理完毕，必须将事件移除 iter.remove(); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 开启两个客户端，修改一下发送文字，输出 ``` sun.nio.ch.ServerSocketChannelImpl[/0:0:0:0:0:0:0:0:8080] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60367] 21:16:39 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - 连接已建立: java.nio.channels.SocketChannel[connected local=/127.0.0.1:8080 remote=/127.0.0.1:60378] 21:16:59 [DEBUG] [main] c.i.n.ChannelDemo6 - select count: 1 +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 77 6f 72 6c 64 |world | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ ``` #### 为何要 iter.remove() > 因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如 > > * 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey > * 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常 #### cancel 的作用 > cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件 #### 不处理边界的问题 以前有同学写过这样的代码，思考注释中两个问题，以 bio 为例，其实 nio 道理是一样的 ```java public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket ss=new ServerSocket(9000); while (true) { Socket s = ss.accept(); InputStream in = s.getInputStream(); // 这里这么写，有没有问题 byte[] arr = new byte[4]; while(true) { int read = in.read(arr); // 这里这么写，有没有问题 if(read == -1) { break; } System.out.println(new String(arr, 0, read)); } } } } ``` 客户端 ```java public class Client { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket max = new Socket("localhost", 9000); OutputStream out = max.getOutputStream(); out.write("hello".getBytes()); out.write("world".getBytes()); out.write("你好".getBytes()); max.close(); } } ``` 输出 ``` hell owor ld� �好 ``` 为什么？ #### 处理消息的边界  * 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，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 * TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，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 ```mermaid sequenceDiagram participant c1 as 客户端1 participant s as 服务器 participant b1 as ByteBuffer1 participant b2 as ByteBuffer2 c1 ->> s: 发送 01234567890abcdef3333\r s ->> b1: 第一次 read 存入 01234567890abcdef s ->> b2: 扩容 b1 ->> b2: 拷贝 01234567890abcdef s ->> b2: 第二次 read 存入 3333\r b2 ->> b2: 01234567890abcdef3333\r ``` 服务器端 ```java private static void split(ByteBuffer source) { source.flip(); for (int i = 0; i < source.limit(); i++) { // 找到一条完整消息 if (source.get(i) == '\n') { int length = i + 1 - source.position(); // 把这条完整消息存入新的 ByteBuffer ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length); // 从 source 读，向 target 写 for (int j = 0; j < length; j++) { target.put(source.get()); } debugAll(target); } } source.compact(); // 0123456789abcdef position 16 limit 16 } public static void main(String[] args) throws IOException { // 1. 创建 selector, 管理多个 channel Selector selector = Selector.open(); ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); // 2. 建立 selector 和 channel 的联系（注册） // SelectionKey 就是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件 SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null); // key 只关注 accept 事件 sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); log.debug("sscKey:{}", sscKey); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); while (true) { // 3. select 方法, 没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行 // select 在事件未处理时，它不会阻塞, 事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理 selector.select(); // 4. 处理事件, selectedKeys 内部包含了所有发生的事件 Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); // accept, read while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); // 处理key 时，要从 selectedKeys 集合中删除，否则下次处理就会有问题 iter.remove(); log.debug("key: {}", key); // 5. 区分事件类型 if (key.isAcceptable()) { // 如果是 accept ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = channel.accept(); sc.configureBlocking(false); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // attachment // 将一个 byteBuffer 作为附件关联到 selectionKey 上 SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer); scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); log.debug("{}", sc); log.debug("scKey:{}", scKey); } else if (key.isReadable()) { // 如果是 read try { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 拿到触发事件的channel // 获取 selectionKey 上关联的附件 ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); int read = channel.read(buffer); // 如果是正常断开，read 的方法的返回值是 -1 if(read == -1) { key.cancel(); } else { split(buffer); // 需要扩容 if (buffer.position() == buffer.limit()) { ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2); buffer.flip(); newBuffer.put(buffer); // 0123456789abcdef3333\n key.attach(newBuffer); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); key.cancel(); // 因为客户端断开了,因此需要将 key 取消（从 selector 的 keys 集合中真正删除 key） } } } } } ``` 客户端 ```java SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)); SocketAddress address = sc.getLocalAddress(); // sc.write(Charset.defaultCharset().encode("hello\nworld\n")); sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123\n456789abcdef")); sc.write(Charset.defaultCharset().encode("0123456789abcdef3333\n")); System.in.read(); ``` #### ByteBuffer 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 * 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](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 ### 4.5 处理 write 事件 #### 一次无法写完例子 * 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数） * 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略 * 当消息处理器第一次写入消息时，才将 channel 注册到 selector 上 * selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册 * 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件 ```java public class WriteServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.configureBlocking(false); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); Selector selector = Selector.open(); ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while(true) { selector.select(); Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); SelectionKey sckey = sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 1. 向客户端发送内容 StringBuilder sb = new StringBuilder(); for (int i = 0; i < 3000000; i++) { sb.append("a"); } ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString()); int write = sc.write(buffer); // 3. write 表示实际写了多少字节 System.out.println("实际写入字节:" + write); // 4. 如果有剩余未读字节，才需要关注写事件 if (buffer.hasRemaining()) { // read 1 write 4 // 在原有关注事件的基础上，多关注 写事件 sckey.interestOps(sckey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE); // 把 buffer 作为附件加入 sckey sckey.attach(buffer); } } else if (key.isWritable()) { ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); int write = sc.write(buffer); System.out.println("实际写入字节:" + write); if (!buffer.hasRemaining()) { // 写完了 key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE); key.attach(null); } } } } } } ``` 客户端 ```java public class WriteClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); SocketChannel sc = SocketChannel.open(); sc.configureBlocking(false); sc.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ); sc.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)); int count = 0; while (true) { selector.select(); Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isConnectable()) { System.out.println(sc.finishConnect()); } else if (key.isReadable()) { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024); count += sc.read(buffer); buffer.clear(); System.out.println(count); } } } } } ``` #### write 为何要取消 只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注 ### 4.6 更进一步 #### 利用多线程优化 > 现在都是多核 cpu，设计时要充分考虑别让 cpu 的力量被白白浪费 前面的代码只有一个选择器，没有充分利用多核 cpu，如何改进呢？ 分两组选择器 * 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件 * 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件 ```java public class ChannelDemo7 { public static void main(String[] args) throws IOException { new BossEventLoop().register(); } @Slf4j static class BossEventLoop implements Runnable { private Selector boss; private WorkerEventLoop[] workers; private volatile boolean start = false; AtomicInteger index = new AtomicInteger(); public void register() throws IOException { if (!start) { ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.configureBlocking(false); boss = Selector.open(); SelectionKey ssckey = ssc.register(boss, 0, null); ssckey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); workers = initEventLoops(); new Thread(this, "boss").start(); log.debug("boss start..."); start = true; } } public WorkerEventLoop[] initEventLoops() { // EventLoop[] eventLoops = new EventLoop[Runtime.getRuntime().availableProcessors()]; WorkerEventLoop[] workerEventLoops = new WorkerEventLoop[2]; for (int i = 0; i < workerEventLoops.length; i++) { workerEventLoops[i] = new WorkerEventLoop(i); } return workerEventLoops; } @Override public void run() { while (true) { try { boss.select(); Iterator<SelectionKey> iter = boss.selectedKeys().iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); iter.remove(); if (key.isAcceptable()) { ServerSocketChannel c = (ServerSocketChannel) key.channel(); SocketChannel sc = c.accept(); sc.configureBlocking(false); log.debug("{} connected", sc.getRemoteAddress()); workers[index.getAndIncrement() % workers.length].register(sc); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } @Slf4j static class WorkerEventLoop implements Runnable { private Selector worker; private volatile boolean start = false; private int index; private final ConcurrentLinkedQueue<Runnable> tasks = new ConcurrentLinkedQueue<>(); public WorkerEventLoop(int index) { this.index = index; } public void register(SocketChannel sc) throws IOException { if (!start) { worker = Selector.open(); new Thread(this, "worker-" + index).start(); start = true; } tasks.add(() -> { try { SelectionKey sckey = sc.register(worker, 0, null); sckey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); worker.selectNow(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }); worker.wakeup(); } @Override public void run() { while (true) { try { worker.select(); Runnable task = tasks.poll(); if (task != null) { task.run(); } Set<SelectionKey> keys = worker.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey key = iter.next(); if (key.isReadable()) { SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(128); try { int read = sc.read(buffer); if (read == -1) { key.cancel(); sc.close(); } else { buffer.flip(); log.debug("{} message:", sc.getRemoteAddress()); debugAll(buffer); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); key.cancel(); sc.close(); } } iter.remove(); } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } } ``` #### 如何拿到 cpu 个数 > * Runtime.getRuntime().availableProcessors() 如果工作在 docker 容器下，因为容器不是物理隔离的，会拿到物理 cpu 个数，而不是容器申请时的个数 > * 这个问题直到 jdk 10 才修复，使用 jvm 参数 UseContainerSupport 配置， 默认开启 ### 4.7 UDP * UDP 是无连接的，client 发送数据不会管 server 是否开启 * server 这边的 receive 方法会将接收到的数据存入 byte buffer，但如果数据报文超过 buffer 大小，多出来的数据会被默默抛弃 首先启动服务器端 ```java public class UdpServer { public static void main(String[] args) { try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) { channel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999)); System.out.println("waiting..."); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(32); channel.receive(buffer); buffer.flip(); debug(buffer); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 输出 ``` waiting... ``` 运行客户端 ```java public class UdpClient { public static void main(String[] args) { try (DatagramChannel channel = DatagramChannel.open()) { ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("hello"); InetSocketAddress address = new InetSocketAddress("localhost", 9999); channel.send(buffer, address); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } } ``` 接下来服务器端输出 ``` +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 68 65 6c 6c 6f |hello | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ ``` ## 5. NIO vs BIO ### 5.1 stream vs channel * stream 不会自动缓冲数据，channel 会利用系统提供的发送缓冲区、接收缓冲区（更为底层） * stream 仅支持阻塞 API，channel 同时支持阻塞、非阻塞 API，网络 channel 可配合 selector 实现多路复用 * 二者均为全双工，即读写可以同时进行 ### 5.2 IO 模型 同步阻塞、同步非阻塞、同步多路复用、异步阻塞（没有此情况）、异步非阻塞 * 同步：线程自己去获取结果（一个线程） * 异步：线程自己不去获取结果，而是由其它线程送结果（至少两个线程） 当调用一次 channel.read 或 stream.read 后，会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取，而读取又分为两个阶段，分别为： * 等待数据阶段 * 复制数据阶段  * 阻塞 IO  * 非阻塞 IO  * 多路复用  * 信号驱动 * 异步 IO  * 阻塞 IO vs 多路复用   #### 参考 UNIX 网络编程 - 卷 I ### 5.3 零拷贝 #### 传统 IO 问题 传统的 IO 将一个文件通过 socket 写出 ```java File f = new File("helloword/data.txt"); RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r"); byte[] buf = new byte[(int)f.length()]; file.read(buf); Socket socket = ...; socket.getOutputStream().write(buf); ``` 内部工作流程是这样的：  1. java 本身并不具备 IO 读写能力，因此 read 方法调用后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，去调用操作系统（Kernel）的读能力，将数据读入**内核缓冲区**。这期间用户线程阻塞，操作系统使用 DMA（Direct Memory Access）来实现文件读，其间也不会使用 cpu > DMA 也可以理解为硬件单元，用来解放 cpu 完成文件 IO 2. 从**内核态**切换回**用户态**，将数据从**内核缓冲区**读入**用户缓冲区**（即 byte[] buf），这期间 cpu 会参与拷贝，无法利用 DMA 3. 调用 write 方法，这时将数据从**用户缓冲区**（byte[] buf）写入 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝 4. 接下来要向网卡写数据，这项能力 java 又不具备，因此又得从**用户态**切换至**内核态**，调用操作系统的写能力，使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu 可以看到中间环节较多，java 的 IO 实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的 * 用户态与内核态的切换发生了 3 次，这个操作比较重量级 * 数据拷贝了共 4 次 #### NIO 优化 通过 DirectByteBuf * ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是 java 内存 * ByteBuffer.allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存  大部分步骤与优化前相同，不再赘述。唯有一点：java 可以使用 DirectByteBuf 将堆外内存映射到 jvm 内存中来直接访问使用 * 这块内存不受 jvm 垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于 IO 读写 * java 中的 DirectByteBuf 对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步 * DirectByteBuf 对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列 * 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存 * 减少了一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少 进一步优化（底层采用了 linux 2.1 后提供的 sendFile 方法），java 中对应着两个 channel 调用 transferTo/transferFrom 方法拷贝数据  1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu 2. 数据从**内核缓冲区**传输到 **socket 缓冲区**，cpu 会参与拷贝 3. 最后使用 DMA 将 **socket 缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu 可以看到 * 只发生了一次用户态与内核态的切换 * 数据拷贝了 3 次 进一步优化（linux 2.4）  1. java 调用 transferTo 方法后，要从 java 程序的**用户态**切换至**内核态**，使用 DMA将数据读入**内核缓冲区**，不会使用 cpu 2. 只会将一些 offset 和 length 信息拷入 **socket 缓冲区**，几乎无消耗 3. 使用 DMA 将 **内核缓冲区**的数据写入网卡，不会使用 cpu 整个过程仅只发生了一次用户态与内核态的切换，数据拷贝了 2 次。所谓的【零拷贝】，并不是真正无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到 jvm 内存中，零拷贝的优点有 * 更少的用户态与内核态的切换 * 不利用 cpu 计算，减少 cpu 缓存伪共享 * 零拷贝适合小文件传输 ### 5.3 AIO AIO 用来解决数据复制阶段的阻塞问题 * 同步意味着，在进行读写操作时，线程需要等待结果，还是相当于闲置 * 异步意味着，在进行读写操作时，线程不必等待结果，而是将来由操作系统来通过回调方式由另外的线程来获得结果 > 异步模型需要底层操作系统（Kernel）提供支持 > > * Windows 系统通过 IOCP 实现了真正的异步 IO > * Linux 系统异步 IO 在 2.6 版本引入，但其底层实现还是用多路复用模拟了异步 IO，性能没有优势 #### 文件 AIO 先来看看 AsynchronousFileChannel ```java @Slf4j public class AioDemo1 { public static void main(String[] args) throws IOException { try{ AsynchronousFileChannel s = AsynchronousFileChannel.open( Paths.get("1.txt"), StandardOpenOption.READ); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2); log.debug("begin..."); s.read(buffer, 0, null, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { log.debug("read completed...{}", result); buffer.flip(); debug(buffer); } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { log.debug("read failed..."); } }); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } log.debug("do other things..."); System.in.read(); } } ``` 输出 ``` 13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - begin... 13:44:56 [DEBUG] [main] c.i.aio.AioDemo1 - do other things... 13:44:56 [DEBUG] [Thread-5] c.i.aio.AioDemo1 - read completed...2 +-------------------------------------------------+ | 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ |00000000| 61 0d |a. | +--------+-------------------------------------------------+----------------+ ``` 可以看到 * 响应文件读取成功的是另一个线程 Thread-5 * 主线程并没有 IO 操作阻塞 #### 守护线程 默认文件 AIO 使用的线程都是守护线程，所以最后要执行 `System.in.read()` 以避免守护线程意外结束 #### 网络 AIO ```java public class AioServer { public static void main(String[] args) throws IOException { AsynchronousServerSocketChannel ssc = AsynchronousServerSocketChannel.open(); ssc.bind(new InetSocketAddress(8080)); ssc.accept(null, new AcceptHandler(ssc)); System.in.read(); } private static void closeChannel(AsynchronousSocketChannel sc) { try { System.out.printf("[%s] %s close\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress()); sc.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } private static class ReadHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> { private final AsynchronousSocketChannel sc; public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel sc) { this.sc = sc; } @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { try { if (result == -1) { closeChannel(sc); return; } System.out.printf("[%s] %s read\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress()); attachment.flip(); System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(attachment)); attachment.clear(); // 处理完第一个 read 时，需要再次调用 read 方法来处理下一个 read 事件 sc.read(attachment, attachment, this); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { closeChannel(sc); exc.printStackTrace(); } } private static class WriteHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> { private final AsynchronousSocketChannel sc; private WriteHandler(AsynchronousSocketChannel sc) { this.sc = sc; } @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) { // 如果作为附件的 buffer 还有内容，需要再次 write 写出剩余内容 if (attachment.hasRemaining()) { sc.write(attachment); } } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) { exc.printStackTrace(); closeChannel(sc); } } private static class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> { private final AsynchronousServerSocketChannel ssc; public AcceptHandler(AsynchronousServerSocketChannel ssc) { this.ssc = ssc; } @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel sc, Object attachment) { try { System.out.printf("[%s] %s connected\n", Thread.currentThread().getName(), sc.getRemoteAddress()); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16); // 读事件由 ReadHandler 处理 sc.read(buffer, buffer, new ReadHandler(sc)); // 写事件由 WriteHandler 处理 sc.write(Charset.defaultCharset().encode("server hello!"), ByteBuffer.allocate(16), new WriteHandler(sc)); // 处理完第一个 accpet 时，需要再次调用 accept 方法来处理下一个 accept 事件 ssc.accept(null, this); } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); } } } ``` <a style="display:none" target="_blank" href="https://mp.weixin.qq.com/s/_S1DD2JADnXvpexxaBwLLg" style="color:red; font-size:20px; font-weight:bold">继续收门徒，亲手带，月薪 4W 以下的可以来找我</a> ## 最新资料 1. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkzOTI3Nzc0Mg==&mid=2247484964&idx=2&sn=c81bce2f26015ee0f9632ddc6c67df03&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">尚硅谷 Java 学科全套教程（总 207.77GB）</a> 2. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247484192&idx=1&sn=505f2faaa4cc911f553850667749bcbb&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">2021 最新版 Java 微服务学习线路图 + 视频</a> 3. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247484573&idx=1&sn=7f3d83892186c16c57bc0b99f03f1ffd&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">阿里技术大佬整理的《Spring 学习笔记.pdf》</a> 4. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247484544&idx=2&sn=c1dfe907cfaa5b9ae8e66fc247ccbe84&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">阿里大佬的《MySQL 学习笔记高清.pdf》</a> 5. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485167&idx=1&sn=48d75c8e93e748235a3547f34921dfb7&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">2021 版 java 高并发常见面试题汇总.pdf</a> 6. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485664&idx=1&sn=435f9f515a8f881642820d7790ad20ce&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">Idea 快捷键大全.pdf</a> 
相关专辑：
Netty专题