从零开始学习Netty - 学习笔记 - NIO基础 - 网络编程: Selector

4.网络编程

4.1.非阻塞 VS 阻塞

在网络编程中，**阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-blocking）**是两种不同的编程模型，描述了程序在进行网络通信时的行为方式。

  1. 阻塞（Blocking）：
    • 在阻塞模型中，当程序发起一个网络请求时，它会一直等待直到操作完成或者发生错误。
    • 在网络通信过程中，如果数据没有到达，或者连接还没有建立，程序会被挂起，直到数据到达或者连接建立完成。
    • 在阻塞模型中，通常一个线程只处理一个连接，因此需要为每个连接创建一个新的线程，这会增加系统开销，尤其在高并发环境下，可能导致资源耗尽和性能下降。
  2. 非阻塞（Non-blocking）：
    • 在非阻塞模型中，程序可以在发起网络请求后立即返回，不必等待操作完成。
    • 如果数据没有到达或者连接尚未建立，程序不会被挂起，而是会立即返回一个状态，告诉调用者当前操作尚未完成。
    • 在非阻塞模型中，程序可以不断轮询网络状态，不断尝试进行数据读取或者连接操作，直到操作完成或者发生错误。
    • 通过使用非阻塞模型，一个线程可以同时处理多个连接，避免了为每个连接创建新线程的开销，提高了系统的性能和资源利用率。

在实际的网络编程中，可以根据具体的需求和系统性能要求选择合适的编程模型。阻塞模型通常更加简单直观，适用于连接数较少且并发要求不高的场景；而非阻塞模型更加灵活，适用于需要处理大量并发连接的高性能网络应用。

4.1.1.阻塞

阻塞模式 一个线程，可能会影响别的线程运行

accept 会影响 read , read 也会影响 accept

Server

/**** Server 服务端* @author 13723* @version 1.0* 2024/2/20 13:11*/
public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 使用NIO来理解阻塞模式 单线程进行处理ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 1.创建一个ServerSocketChannel  创建一个服务器ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();// 2.绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));// 3.建立一个练级的集合List<SocketChannel> socketChannelList = new ArrayList<SocketChannel>();while (true){logger.error("--------------- connection  start ----------------");// 3.accept 建立和客户端之间的连接，说白了就是和客户端之间进行通信// 这里会的方法会阻塞，线程会停止运行 (这里会等一个新的连接，如果没有新的连接建立会一直阻塞在这里)SocketChannel sc = ssc.accept();logger.error("--------------- connection  {} ----------------",sc);socketChannelList.add(sc);// 5.介绍客户端发送的数据for (SocketChannel socketChannel : socketChannelList) {logger.error("--------------- before read  ----------------");socketChannel.read(buffer);// 切换为读模式buffer.flip();ByteBufferUtil.debugAll(buffer);// 切换为写模式 重新接收新的数据buffer.clear();logger.error("--------------- after read  ----------------");}}}
}

Client

/*** 客户端* @author 13723* @version 1.0* 2024/2/20 13:24*/
public class Client {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 1.创建客户端连接SocketChannel sc = SocketChannel.open();// 2.设置连接信息sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",9000));// 等待logger.error("--------------- waiting ---------------");}
}

启动的时候，Server正常进行启动，Client 以debug的方式进行启动

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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在这里插入图片描述

4.1.2.非阻塞

server

缺点：很明显，当我们没有数据的时候

​ accept 和 read 还再循环

public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 使用NIO来理解阻塞模式 单线程进行处理ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 1.创建一个ServerSocketChannel  创建一个服务器ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();// TODO 设置为非阻塞模式ssc.configureBlocking(false);// 2.绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));// 3.建立一个练级的集合List<SocketChannel> socketChannelList = new ArrayList<SocketChannel>();while (true){// logger.error("--------------- connection  start ----------------");// 3.accept 建立和客户端之间的连接，说白了就是和客户端之间进行通信// 切换成非阻塞模式了，如果没有连接建立 返回的时一个null值SocketChannel sc = ssc.accept();if (sc != null){logger.error("--------------- connection  {} ----------------",sc);sc.configureBlocking(false);socketChannelList.add(sc);}// 5.介绍客户端发送的数据for (SocketChannel socketChannel : socketChannelList) {// logger.error("--------------- before read  ----------------");// 编程非阻塞，但是线程仍然会继续运行 如果没有读取到数据 read会返回0int read = socketChannel.read(buffer);if (read > 0){// 切换为读模式buffer.flip();ByteBufferUtil.debugAll(buffer);// 切换为写模式 重新接收新的数据buffer.clear();logger.error("--------------- after read  ----------------");}}}}
}

client

客户端代码 和上面一样没有做额外改动

在这里插入图片描述

4.2.Selector

介绍选择器Selector之前，先介绍一个概念 IO事件

IO事件
  • IO事件表示通道内的某种IO操作已经准备就绪

例如：在Server Scoket通道上发生的一个IO事件，代表一个新的连接已经准备好，这个事件就叫做接收就绪事件。或者说，一个通道内如果有数据可以读取，就会发生一个IO事件，代表该连接数据已经准备好，这个事件就叫做读就绪事件

JavaNIO将NIO事件做了简化，只定义了四个事件，他们用SelectionKey的4个常量来表示

  • SelectionKey.OP_CONNECT
    • 表示连接就绪事件，用于表示客户端连接建立后触发的事件。客户端的 SocketChannel 关注此事件，以便在连接建立后执行相应的操作。
  • SelectionKey.OP_ACCEPT
    • 表示接受连接就绪事件，用于表示服务器端有连接请求时触发的事件。服务器端的 ServerSocketChannel 关注此事件，以便在有新的连接请求时执行相应的操作。
  • SelectionKey.OP_READ
    • 表示读就绪事件，用于表示通道中有数据可以读取的事件。通常由 SocketChannel 关注，以便在通道中有数据可读时执行相应的读取操作。
  • SelectionKey.OP_WRITE
    • 表示写就绪事件，用于表示通道可以写入数据的事件。通常由 SocketChannel 关注，以便在通道可写入数据时执行相应的写入操作

管理多个channel , 可以发现channel是否有事件发生，有事件发生再去执行 防止cpu空转造成系统资源浪费

/**** Server 服务端* @author 13723* @version 1.0* 2024/2/20 13:11*/
public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个Selector对象Selector selector = Selector.open();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 创建channelServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);// 建立selector和Channel之间的连接（将Channel注册到Selector中）// SelectionKey 将来事件发生后，通过它，可以知道哪种事件，是那个Channel发生的事件// 0 表示不关注任何事件SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);// ** 事件有四种类型// ?? accept 会在有连接请求时触发 （SelectionKey关注）// ?? connect 客户端连接建立后触发的事件// ?? read 可读事件 （SocketChannel关注）// ?? write 可写事件（SocketChannel关注）// 设置具体的事件 (设置只关注 accept事件);sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);// 2.绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));while (true){// 3.调用selector的select方法(没有事件发生，那么还是阻塞的)// !! 注意Selector在编程时，未处理时，不会阻塞会一直进行执行(要么处理，要么取消 不能不管)selector.select();// 4.处理事件(selectionKeys 中所有的可用的事件)Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();// 遍历的时候 想要删除 必须使用迭代器遍历while (iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();logger.error("key : {}",key);// 拿到对应channelServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();// 建立连接SocketChannel accept = channel.accept();logger.error("accept : {}",accept);// 一个处理是accept 还可以进行取消// key.cancel();}}}
}

在这里插入图片描述

4.2.1处理read

读取数据 每个channel 里面 针对不同的事件类型 又创建了不同的channel进行维护

在这里插入图片描述

public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个Selector对象Selector selector = Selector.open();// 创建channelServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);// 建立selector和Channel之间的连接（将Channel注册到Selector中）// SelectionKey 将来事件发生后，通过它，可以知道哪种事件，是那个Channel发生的事件// 0 表示不关注任何事件SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);// ** 事件有四种类型// ?? accept 会在有连接请求时触发 （SelectionKey关注）// ?? connect 客户端连接建立后触发的事件// ?? read 可读事件 （SocketChannel关注）// ?? write 可写事件（SocketChannel关注）// 设置具体的事件 (设置只关注 accept事件);sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);// 2.绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));while (true){// 3.调用selector的select方法(没有事件发生，那么还是阻塞的)// !! 注意Selector在编程时，未处理时，不会阻塞会一直进行执行(要么处理，要么取消 不能不管)selector.select();// 4.处理事件(selectionKeys 中所有的可用的事件)Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();// 遍历的时候 想要删除 必须使用迭代器遍历while (iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();logger.error("key : {}",key);// 5.区分事件类型if (key.isAcceptable()) {// accept事件// 拿到对应channelServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();// 建立连接SocketChannel sc = channel.accept();// 设置channel为非阻塞的sc.configureBlocking(false);// 将管理权交给selector（负责管理当前处理的channel）SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);// 注意 这里是readscKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);logger.error("sc : {}",sc);}else if (key.isReadable()){// 读取数据的事件SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);channel.read(buffer);// 切换为读模式buffer.flip();ByteBufferUtil.debugRead(buffer);}}}}
}

在这里插入图片描述

4.2.2.用完key之后为什么要remove

重点：SelectedKey 只会往里面添加 key ，但是不会进行删除（也就是事件处理完成后，会标记成处理，但是不会删除）

// TODO 删除key 一定要删除
// SelectedKey 只会往里面添加 key ，但是不会进行删除（也就是事件处理完成后，会标记成处理，但是不会删除）
// 不然下次进来还是上一个Key上一个Key是没有事件，所有会报空指针
// 这就是这里要使用迭代器的原因，迭代器可以边遍历边删除，forEach不行
iterator.remove();

在这里插入图片描述

4.2.3.处理客户端断开
else if (key.isReadable()){try {// 读取数据的事件SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);// 如果是正常断开。那么read返回的是-1 因为每次断开都会触发一次读事件int read = channel.read(buffer);if (read == -1){// 删除keykey.cancel();}else {// 切换为读模式buffer.flip();ByteBufferUtil.debugRead(buffer);// TODO 删除key 一定要删除// SelectedKey 只会往里面添加 key ，但是不会进行删除（也就是事件处理完成后，会标记成处理，但是不会删除）// 不然下次进来还是上一个Key上一个Key是没有事件，所有会报空指针iterator.remove();}}catch (Exception e){// 客户端关闭了,这里需要将key从SelectedKey集合中真正的删除e.printStackTrace();key.cancel();}
}

正常断开

// 客户端 需要手动调用close
public class Client {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 1.创建客户端连接SocketChannel sc = SocketChannel.open();// 2.设置连接信息sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",9000));// 等待logger.error("--------------- waiting ---------------");// 正常断开 不写就是异常断开sc.close();}
}

在这里插入图片描述

异常断开（强制断开）

在这里插入图片描述

4.2.4.处理消息边界

当客户端发动的服务端的中文信息过长时，就可能会出现乱码的情况

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  • 一种思路是，固定消息的长度，数据包的大小一样，服务器按照预定长度读取，缺点是浪费带宽
  • 另一种思路是按照分隔符拆分，缺点是效率低下
  • TLV格式，Type类型，Length长度，Value数据，类型和长度已知情况下，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，则会影响server吞吐量
    • HTTP 1.1 是LTV格式
    • HTTP 2.0 是LTV格式

在这里插入图片描述

server

每次将ByteBuffer作为参数进行传递 也就是 通过

​ 服务端 注册
​ ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(15);
​ SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);

​ 客户端 获取 重新设置

​ ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();

​ key.attach(newByteBuffer);

在这里插入图片描述

public class Server {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个Selector对象Selector selector = Selector.open();// 创建channelServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);// 建立selector和Channel之间的连接（将Channel注册到Selector中）// SelectionKey 将来事件发生后，通过它，可以知道哪种事件，是那个Channel发生的事件// 0 表示不关注任何事件SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);// ** 事件有四种类型// ?? accept 会在有连接请求时触发 （SelectionKey关注）// ?? connect 客户端连接建立后触发的事件// ?? read 可读事件 （SocketChannel关注）// ?? write 可写事件（SocketChannel关注）// 设置具体的事件 (设置只关注 accept事件);sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);// 2.绑定监听端口ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));while (true){// 3.调用selector的select方法(没有事件发生，那么还是阻塞的)// !! 注意Selector在编程时，未处理时，不会阻塞会一直进行执行(要么处理，要么取消 不能不管)selector.select();// 4.处理事件(selectionKeys 中所有的可用的事件)Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();// 遍历的时候 想要删除 必须使用迭代器遍历while (iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();logger.error("key : {}",key);// 5.区分事件类型if (key.isAcceptable()) {// accept事件// 拿到对应channelServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel)key.channel();// 建立连接SocketChannel sc = channel.accept();// 设置channel为非阻塞的sc.configureBlocking(false);// 将管理权交给selector（负责管理当前处理的channel）//!! 1.将ByteBuffer 注册到SelectionKey中，这样保证每个人SelectionKey都有一个独有的ByteBuff//!! 这种称为附件 attachment//!! buffer不在作为局部变量了ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(15);SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, buffer);// 注意 这里是readscKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);logger.error("sc : {}",sc);// TODO 删除key 一定要删除// SelectedKey 只会往里面添加 key ，但是不会进行删除（也就是事件处理完成后，会标记成处理，但是不会删除）// 不然下次进来还是上一个Key上一个Key是没有事件，所有会报空指针iterator.remove();}else if (key.isReadable()){try {// 读取数据的事件SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();// !!2.从读事件中 拿到附件ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();// 为了保证每个Channel都有一个独有的ByteBuffer// 如果是正常断开。那么read返回的是-1 因为每次断开都会触发一次读事件int read = channel.read(buffer);if (read == -1){// 删除keykey.cancel();}else {// 切换为读模式buffer.flip();split(buffer);// !!3.判断一次是否读取完全// 如果position 和 limit一样 说明没有读取完成，需要扩容if (buffer.position() == buffer.limit()){ByteBuffer newByteBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);// 新的bytebuffer 是旧的两倍 将旧的ByteBuffer内容设置的到新的中buffer.flip();newByteBuffer.put(buffer);// 新的buffer替换原来的bufferkey.attach(newByteBuffer);}iterator.remove();}}catch (Exception e){// 客户端关闭了,这里需要将key从SelectedKey集合中真正的删除e.printStackTrace();key.cancel();}}}}}private static void split(ByteBuffer source) {// 找到一个完整消息， \nfor (int i = 0; i < source.limit(); i++) {if (source.get(i)  == '\n') {// 计算消息的长度 (换行符合 + 1 - 起始索引(就是ByteBuffer的Position))int length = i + 1 - source.position();// 找到一个完整消息了（get(i)不会移动指针）ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);// 从source读取，向target写for (int j = 0; j < length; j++) {target.put(source.get());}// 打印拆出来的信息ByteBufferUtil.debugAll(target);}}// 因为可能还有没有读取完成的数据，比如一半的数据，留给下次读取source.compact();}}
4.2.5.ByteBuffer大小的分配
  • 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—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4kbuffer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
    • 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
4.2.6.写入内容过多问题

服务端一次向客户端写入太大的数据

服务端

public class WriteServer {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.configureBlocking(false);Selector selector = Selector.open();// 直接关注 accept事件ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);ssc.bind(new InetSocketAddress(9000));while (true){selector.select();Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()){SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);// 向客户端发送大量数据StringBuffer sb = new StringBuffer();for (int i = 0; i < 3000000; i++) {sb.append("a");}ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());// 通过Channel写入数据 并不能保证一次将所有数据写入到 客户端// 返回值代表实际写入的字节数while (buffer.hasRemaining()){int write = sc.write(buffer);logger.error("实际写入的字节数：{}",write);}}}}}
}

客户端

public class WriteClient {private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MethodHandles.lookup().lookupClass());public static void main(String[] args) throws IOException {SocketChannel sc = SocketChannel.open();sc.connect(new InetSocketAddress("localhost",9000));// 3.接收数据int count = 0;while (true){ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024 * 1024);count += sc.read(buffer);logger.error("接收的字节数：{}",count);buffer.compact();}}
}

问题

在这里插入图片描述

改进

思路就是：先尝试写一次 如果一次没写完，那么就在关联一个SelectionKey，继续写，就不用while循环一直在那里尝试写了，注意的是，SelectionKey 是可以 进行相加的，比如 既可以读 也可以 ，通过附件 attach传递没有发送完的数据。

注意 读取完成后 记得把数据释放掉。

while (true){selector.select();Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()){SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove();if (key.isAcceptable()){SocketChannel sc = ssc.accept();sc.configureBlocking(false);SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);// !! 这里可能原来的是读取事件scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);// 向客户端发送大量数据StringBuffer sb = new StringBuffer();for (int i = 0; i < 30000000; i++) {sb.append("a");}ByteBuffer buffer = Charset.defaultCharset().encode(sb.toString());// 通过Channel写入数据 并不能保证一次将所有数据写入到 客户端// 返回值代表实际写入的字节数int write = sc.write(buffer);logger.error("实际写入的字节数：{}",write);// 先尝试写了一次，然后观察是否还有剩余内容if(buffer.hasRemaining()){// 关注一个写事件// !! 这里又加了一个写事件，为了防止把原先的事件覆盖，所以这里需要加上原来事件// 读事件 1  写事件 4  加一起 等于5 说明 又关注读又关注写scKey.interestOps(scKey.interestOps() + SelectionKey.OP_WRITE);// 要把未写完的数据 放到SelectionKey中scKey.attach(buffer);}} else if (key.isWritable()) {// 把上一次 buffer取出来， 关注的socketChannel拿出来ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();// 继续写(数据量很多 就会反复进入可写事件)int write = sc.write(buffer);logger.error("实际写入的字节数：{}",write);// 写完清理附件if (!buffer.hasRemaining()){// 内容写完了 清楚buffer 可写事件 也不需要进行关联了key.attach(null);key.interestOps(key.interestOps() - SelectionKey.OP_WRITE);}}}}

在这里插入图片描述

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