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本系列文章將整理到我在GitHub上的《Java面試指南》倉庫，更多精彩內容請到我的倉庫里查看
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文章將同步到我的個人博客：
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本文是微信公眾號【Java技術江湖】的《不可輕視的Java網絡編程》其中一篇，本文部分內容來源于網絡，為了把本文主題講得清晰透徹，也整合了很多我認為不錯的技術博客內容，引用其中了一些比較好的博客文章，如有侵權，請聯系作者。
該系列博文會告訴你如何從計算機網絡的基礎知識入手，一步步地學習Java網絡基礎，從socket到nio、bio、aio和netty等網絡編程知識，并且進行實戰，網絡編程是每一個Java后端工程師必須要學習和理解的知識點，進一步來說，你還需要掌握Linux中的網絡編程原理，包括IO模型、網絡編程框架netty的進階原理，才能更完整地了解整個Java網絡編程的知識體系，形成自己的知識框架。
為了更好地總結和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供部分知識點對應的面試題以及參考答案。
如果對本系列文章有什么建議，或者是有什么疑問的話，也可以關注公眾號【Java技術江湖】聯系作者，歡迎你參與本系列博文的創作和修訂。
Selector是NIO中實現I/O多路復用的關鍵類。Selector實現了通過一個線程管理多個Channel，從而管理多個網絡連接的目的。
Channel代表這一個網絡連接通道，我們可以將Channel注冊到Selector中以實現Selector對其的管理。一個Channel可以注冊到多個不同的Selector中。
當Channel注冊到Selector后會返回一個SelectionKey對象，該SelectionKey對象則代表這這個Channel和它注冊的Selector間的關系。并且SelectionKey中維護著兩個很重要的屬性：interestOps、readyOps
interestOps是我們希望Selector監聽Channel的哪些事件。
我們將我們感興趣的事件設置到該字段，這樣在selection操作時，當發現該Channel有我們所感興趣的事件發生時，就會將我們感興趣的事件再設置到readyOps中，這樣我們就能得知是哪些事件發生了以做相應處理。
Selector中維護3個特別重要的SelectionKey集合，分別是
下面的源碼解析會說明上面3個集合的用處
下面我們通過一段對Selector的使用流程講解來進一步深入其實現原理。
首先先來段Selector最簡單的使用片段
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
int port = 5566;
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while(true){
int n = selector.select();
if(n > 0) {
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey selectionKey = iter.next();
......
iter.remove();
}
}
}
SocketChannel、ServerSocketChannel和Selector的實例初始化都通過SelectorProvider類實現。
ServerSocketChannel.open();
public static ServerSocketChannel open() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().openServerSocketChannel();
}
SocketChannel.open();
public static SocketChannel open() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().openSocketChannel();
}
Selector.open();
public static Selector open() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().openSelector();
}
我們來進一步的了解下SelectorProvider.provider()
public static SelectorProvider provider() {
synchronized (lock) {
if (provider != null)
return provider;
return AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedAction<>() {
public SelectorProvider run() {
if (loadProviderFromProperty())
return provider;
if (loadProviderAsService())
return provider;
provider = sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
return provider;
}
});
}
}
① 如果配置了“java.nio.channels.spi.SelectorProvider”屬性，則通過該屬性值load對應的SelectorProvider對象，如果構建失敗則拋異常。
② 如果provider類已經安裝在了對系統類加載程序可見的jar包中，并且該jar包的源碼目錄META-INF/services包含有一個java.nio.channels.spi.SelectorProvider提供類配置文件，則取文件中第一個類名進行load以構建對應的SelectorProvider對象，如果構建失敗則拋異常。
③ 如果上面兩種情況都不存在，則返回系統默認的SelectorProvider，即，sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create();
④ 隨后在調用該方法，即SelectorProvider.provider()。則返回第一次調用的結果。
不同系統對應著不同的sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider
這里我們看linux下面的sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider
public class DefaultSelectorProvider {
/**
* Prevent instantiation.
*/
private DefaultSelectorProvider() { }
/**
* Returns the default SelectorProvider.
*/
public static SelectorProvider create() {
return new sun.nio.ch.EPollSelectorProvider();
}
}
可以看見，linux系統下sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider.create(); 會生成一個sun.nio.ch.EPollSelectorProvider類型的SelectorProvider，這里對應于linux系統的epoll
/**
* Opens a selector.
*
* <p> The new selector is created by invoking the {@link
* java.nio.channels.spi.SelectorProvider#openSelector openSelector} method
* of the system-wide default {@link
* java.nio.channels.spi.SelectorProvider} object. </p>
*
* @return A new selector
*
* @throws IOException
* If an I/O error occurs
*/
public static Selector open() throws IOException {
return SelectorProvider.provider().openSelector();
}
在得到sun.nio.ch.EPollSelectorProvider后調用openSelector()方法構建Selector，這里會構建一個EPollSelectorImpl對象。
class EPollSelectorImpl
extends SelectorImpl
{
// File descriptors used for interrupt
protected int fd0;
protected int fd1;
// The poll object
EPollArrayWrapper pollWrapper;
// Maps from file descriptors to keys
private Map<Integer,SelectionKeyImpl> fdToKey;
EPollSelectorImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
super(sp);
long pipeFds = IOUtil.makePipe(false);
fd0 = (int) (pipeFds >>> 32);
fd1 = (int) pipeFds;
try {
pollWrapper = new EPollArrayWrapper();
pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1);
fdToKey = new HashMap<>();
} catch (Throwable t) {
try {
FileDispatcherImpl.closeIntFD(fd0);
} catch (IOException ioe0) {
t.addSuppressed(ioe0);
}
try {
FileDispatcherImpl.closeIntFD(fd1);
} catch (IOException ioe1) {
t.addSuppressed(ioe1);
}
throw t;
}
}
EPollSelectorImpl構造函數完成：
① EPollArrayWrapper的構建，EpollArrayWapper將Linux的epoll相關系統調用封裝成了native方法供EpollSelectorImpl使用。
② 通過EPollArrayWrapper向epoll注冊中斷事件
void initInterrupt(int fd0, int fd1) {
outgoingInterruptFD = fd1;
incomingInterruptFD = fd0;
epollCtl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd0, EPOLLIN);
}
③ fdToKey：構建文件描述符-SelectionKeyImpl映射表，所有注冊到selector的channel對應的SelectionKey和與之對應的文件描述符都會放入到該映射表中。
EPollArrayWrapper完成了對epoll文件描述符的構建，以及對linux系統的epoll指令操縱的封裝。維護每次selection操作的結果，即epoll_wait結果的epoll_event數組。
EPollArrayWrapper操縱了一個linux系統下epoll_event結構的本地數組。
* typedef union epoll_data {
* void *ptr;
* int fd;
* __uint32_t u32;
* __uint64_t u64;
* } epoll_data_t;
*
* struct epoll_event {
* __uint32_t events;
* epoll_data_t data;
* };
epoll_event的數據成員(epoll_data_t data)包含有與通過epoll_ctl將文件描述符注冊到epoll時設置的數據相同的數據。這里data.fd為我們注冊的文件描述符。這樣我們在處理事件的時候持有有效的文件描述符了。
EPollArrayWrapper將Linux的epoll相關系統調用封裝成了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;
上述三個native方法就對應Linux下epoll相關的三個系統調用
// The fd of the epoll driver
private final int epfd;
// The epoll_event array for results from epoll_wait
private final AllocatedNativeObject pollArray;
// Base address of the epoll_event array
private final long pollArrayAddress;
// 用于存儲已經注冊的文件描述符和其注冊等待改變的事件的關聯關系。在epoll_wait操作就是要檢測這里文件描述法注冊的事件是否有發生。
private final byte[] eventsLow = new byte[MAX_UPDATE_ARRAY_SIZE];
private final Map<Integer,Byte> eventsHigh = new HashMap<>();
EPollArrayWrapper() throws IOException {
// creates the epoll file descriptor
epfd = epollCreate();
// the epoll_event array passed to epoll_wait
int allocationSize = NUM_EPOLLEVENTS * SIZE_EPOLLEVENT;
pollArray = new AllocatedNativeObject(allocationSize, true);
pollArrayAddress = pollArray.address();
}
EPoolArrayWrapper構造函數，創建了epoll文件描述符。構建了一個用于存放epoll_wait返回結果的epoll_event數組。
ServerSocketChannel.open();
返回ServerSocketChannelImpl對象，構建linux系統下ServerSocket的文件描述符。
// Our file descriptor
private final FileDescriptor fd;
// fd value needed for dev/poll. This value will remain valid
// even after the value in the file descriptor object has been set to -1
private int fdVal;
ServerSocketChannelImpl(SelectorProvider sp) throws IOException {
super(sp);
this.fd = Net.serverSocket(true);
this.fdVal = IOUtil.fdVal(fd);
this.state = ST_INUSE;
}
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
public final SelectionKey register(Selector sel, int ops,
Object att)
throws ClosedChannelException
{
synchronized (regLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
if ((ops & ~validOps()) != 0)
throw new IllegalArgumentException();
if (blocking)
throw new IllegalBlockingModeException();
SelectionKey k = findKey(sel);
if (k != null) {
k.interestOps(ops);
k.attach(att);
}
if (k == null) {
// New registration
synchronized (keyLock) {
if (!isOpen())
throw new ClosedChannelException();
k = ((AbstractSelector)sel).register(this, ops, att);
addKey(k);
}
}
return k;
}
}
protected final SelectionKey register(AbstractSelectableChannel ch,
int ops,
Object attachment)
{
if (!(ch instanceof SelChImpl))
throw new IllegalSelectorException();
SelectionKeyImpl k = new SelectionKeyImpl((SelChImpl)ch, this);
k.attach(attachment);
synchronized (publicKeys) {
implRegister(k);
}
k.interestOps(ops);
return k;
}
① 構建代表channel和selector間關系的SelectionKey對象
② implRegister(k)將channel注冊到epoll中
③ k.interestOps(int) 完成下面兩個操作：
a) 會將注冊的感興趣的事件和其對應的文件描述存儲到EPollArrayWrapper對象的eventsLow或eventsHigh中，這是給底層實現epoll_wait時使用的。
b) 同時該操作還會將設置SelectionKey的interestOps字段，這是給我們程序員獲取使用的。
protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) {
if (closed)
throw new ClosedSelectorException();
SelChImpl ch = ski.channel;
int fd = Integer.valueOf(ch.getFDVal());
fdToKey.put(fd, ski);
pollWrapper.add(fd);
keys.add(ski);
}
① 將channel對應的fd(文件描述符)和對應的SelectionKeyImpl放到fdToKey映射表中。
② 將channel對應的fd(文件描述符)添加到EPollArrayWrapper中，并強制初始化fd的事件為0 ( 強制初始更新事件為0，因為該事件可能存在于之前被取消過的注冊中。)
③ 將selectionKey放入到keys集合中。
selection操作有3中類型：
① select()：該方法會一直阻塞直到至少一個channel被選擇(即，該channel注冊的事件發生了)為止，除非當前線程發生中斷或者selector的wakeup方法被調用。
② select(long time)：該方法和select()類似，該方法也會導致阻塞直到至少一個channel被選擇(即，該channel注冊的事件發生了)為止，除非下面3種情況任意一種發生：a) 設置的超時時間到達；b) 當前線程發生中斷；c) selector的wakeup方法被調用
③ selectNow()：該方法不會發生阻塞，如果沒有一個channel被選擇也會立即返回。
我們主要來看看select()的實現 ：int n = selector.select();
public int select() throws IOException {
return select(0);
}
最終會調用到EPollSelectorImpl的doSelect
protected int doSelect(long timeout) throws IOException {
if (closed)
throw new ClosedSelectorException();
processDeregisterQueue();
try {
begin();
pollWrapper.poll(timeout);
} finally {
end();
}
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;
}
① 先處理注銷的selectionKey隊列
② 進行底層的epoll_wait操作
③ 再次對注銷的selectionKey隊列進行處理
④ 更新被選擇的selectionKey
先來看processDeregisterQueue():
void processDeregisterQueue() throws IOException {
Set var1 = this.cancelledKeys();
synchronized(var1) {
if (!var1.isEmpty()) {
Iterator var3 = var1.iterator();
while(var3.hasNext()) {
SelectionKeyImpl var4 = (SelectionKeyImpl)var3.next();
try {
this.implDereg(var4);
} catch (SocketException var12) {
IOException var6 = new IOException("Error deregistering key");
var6.initCause(var12);
throw var6;
} finally {
var3.remove();
}
}
}
}
}
從cancelledKeys集合中依次取出注銷的SelectionKey，執行注銷操作，將處理后的SelectionKey從cancelledKeys集合中移除。執行processDeregisterQueue()后cancelledKeys集合會為空。
protected void implDereg(SelectionKeyImpl ski) throws IOException {
assert (ski.getIndex() >= 0);
SelChImpl ch = ski.channel;
int fd = ch.getFDVal();
fdToKey.remove(Integer.valueOf(fd));
pollWrapper.remove(fd);
ski.setIndex(-1);
keys.remove(ski);
selectedKeys.remove(ski);
deregister((AbstractSelectionKey)ski);
SelectableChannel selch = ski.channel();
if (!selch.isOpen() && !selch.isRegistered())
((SelChImpl)selch).kill();
}
注銷會完成下面的操作：
① 將已經注銷的selectionKey從fdToKey( 文件描述與SelectionKeyImpl的映射表 )中移除
② 將selectionKey所代表的channel的文件描述符從EPollArrayWrapper中移除
③ 將selectionKey從keys集合中移除，這樣下次selector.select()就不會再將該selectionKey注冊到epoll中監聽
④ 也會將selectionKey從對應的channel中注銷
⑤ 最后如果對應的channel已經關閉并且沒有注冊其他的selector了，則將該channel關閉
完成????的操作后，注銷的SelectionKey就不會出現先在keys、selectedKeys以及cancelKeys這3個集合中的任何一個。
接著我們來看EPollArrayWrapper.poll(timeout)：
int poll(long timeout) throws IOException {
updateRegistrations();
updated = epollWait(pollArrayAddress, NUM_EPOLLEVENTS, timeout, epfd);
for (int i=0; i<updated; i++) {
if (getDescriptor(i) == incomingInterruptFD) {
interruptedIndex = i;
interrupted = true;
break;
}
}
return updated;
}
updateRegistrations()方法會將已經注冊到該selector的事件(eventsLow或eventsHigh)通過調用epollCtl(epfd, opcode, fd, events); 注冊到linux系統中。
這里epollWait就會調用linux底層的epoll_wait方法，并返回在epoll_wait期間有事件觸發的entry的個數
再看updateSelectedKeys()：
private int updateSelectedKeys() {
int entries = pollWrapper.updated;
int numKeysUpdated = 0;
for (int i=0; i<entries; i++) {
int nextFD = pollWrapper.getDescriptor(i);
SelectionKeyImpl ski = fdToKey.get(Integer.valueOf(nextFD));
// ski is null in the case of an interrupt
if (ski != null) {
int rOps = pollWrapper.getEventOps(i);
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;
}
該方法會從通過EPollArrayWrapper pollWrapper 以及 fdToKey( 構建文件描述符-SelectorKeyImpl映射表 )來獲取有事件觸發的SelectionKeyImpl對象，然后將SelectionKeyImpl放到selectedKey集合( 有事件觸發的selectionKey集合，可以通過selector.selectedKeys()方法獲得 )中，即selectedKeys。并重新設置SelectionKeyImpl中相關的readyOps值。
但是，這里要注意兩點：
① 如果SelectionKeyImpl已經存在于selectedKeys集合中，并且發現觸發的事件已經存在于readyOps中了，則不會使numKeysUpdated++；這樣會使得我們無法得知該事件的變化。
????這點說明了為什么我們要在每次從selectedKey中獲取到Selectionkey后，將其從selectedKey集合移除，就是為了當有事件觸發使selectionKey能正確到放入selectedKey集合中，并正確的通知給調用者。
再者，如果不將已經處理的SelectionKey從selectedKey集合中移除，那么下次有新事件到來時，在遍歷selectedKey集合時又會遍歷到這個SelectionKey，這個時候就很可能出錯了。比如，如果沒有在處理完OP_ACCEPT事件后將對應SelectionKey從selectedKey集合移除，那么下次遍歷selectedKey集合時，處理到到該SelectionKey，相應的ServerSocketChannel.accept()將返回一個空(null)的SocketChannel。
② 如果發現channel所發生I/O事件不是當前SelectionKey所感興趣，則不會將SelectionKeyImpl放入selectedKeys集合中，也不會使numKeysUpdated++
select，poll，epoll都是IO多路復用的機制。I/O多路復用就是通過一種機制，一個進程可以監視多個描述符，一旦某個描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒），能夠通知程序進行相應的讀寫操作。但select，poll，epoll本質上都是同步I/O，因為他們都需要在讀寫事件就緒后自己負責進行讀寫，也就是說這個讀寫過程是阻塞的，而異步I/O則無需自己負責進行讀寫，異步I/O的實現會負責把數據從內核拷貝到用戶空間。
epoll是Linux下的一種IO多路復用技術，可以非常高效的處理數以百萬計的socket句柄。
在 select/poll中，進程只有在調用一定的方法后，內核才對所有監視的文件描述符進行掃描，而epoll事先通過epoll_ctl()來注冊一 個文件描述符，一旦基于某個文件描述符就緒時，內核會采用類似callback的回調機制，迅速激活這個文件描述符，當進程調用epoll_wait() 時便得到通知。(此處去掉了遍歷文件描述符，而是通過監聽回調的的機制。這正是epoll的魅力所在。)
如果沒有大量的idle -connection或者dead-connection，epoll的效率并不會比select/poll高很多，但是當遇到大量的idle- connection，就會發現epoll的效率大大高于select/poll。
注意：linux下Selector底層是通過epoll來實現的，當創建好epoll句柄后，它就會占用一個fd值，在linux下如果查看/proc/進程id/fd/，是能夠看到這個fd的，所以在使用完epoll后，必須調用close()關閉，否則可能導致fd被耗盡。
先看看使用c封裝的3個epoll系統調用:
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,int maxevents, int timeout)
epoll_wait在調用時，在給定的timeout時間內，所監控的句柄中有事件發生時，就返回用戶態的進程。
大概看看epoll內部是怎么實現的：
當epoll_wait調用時，僅僅觀察就緒鏈表里有沒有數據，如果有數據就返回，否則就sleep，超時時立刻返回。
epoll的兩種工作模式：
socket讀數據
socket寫數據
最后順便說下在Linux系統中JDK NIO使用的是 LT ，而Netty epoll使用的是 ET。
因為本人對計算機系統組成以及C語言等知識比較欠缺，因為文中相關知識點的表示也相當“膚淺”，如有不對不妥的地方望讀者指出。同時我也會繼續加強對該方面知識點的學習~
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