Netty 源码 (三):I/O 模型和 Java NIO 底层原理

2,077 阅读8分钟

上一篇文章我们主要讲解了Netty的ChannelPipeline,了解到不同的Channel可以提供基于不同网络协议的通信处理.既然涉及到网络通信,就不得不说一下多线程,同步异步相关的知识了.Netty的网络模型是多线程的Reactor模式,所有I/O请求都是异步调用,我们今天就来探讨一下一些基础概念和Java NIO的底层机制.  为了节约你的时间,本文主要内容如下:

  • 异步,阻塞的概念
  • 操作系统I/O的类型
  • Java NIO的Linux底层实现

异步,同步,阻塞,非阻塞

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.

Unix的I/O类型

 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:

  • 阻塞I/O
  • 非阻塞I/O
  • 多路复用I/O
  • 信号驱动I/O
  • 异步I/O

 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:

  • 1 等待数据准备
  • 2 将数据从内核内存空间拷贝到进程内存空间中

 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,具体解释大家可以参看这篇博文

Blocking I/OBlocking I/O

NonBlocking I/ONonBlocking I/O

Multiplexing I/OMultiplexing I/O

Asynchronous I/OAsynchronous I/O

对比对比

Java NIO的Linux底层实现

 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.

open方法

 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.

register方法

 与open类似,ServerSocketChannelregister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EPollArrayWrapperadd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.  

Select方法

 和register方法类似,SelectorImpl中的select方法最终调用了其子类EpollSelectorImpldoSelect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EPollArrayWapperpoll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.

selectedKeys方法

 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selectupdateSelectedKeys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;
        }
    

后记

 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  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.