epoll与 Nio浅析

epoll 是 Linux 下 IO多路复用的机制，可以监视多个描述符的读/写等事件，一旦某个描述符就绪（一般是读或者写事件发生了），就能够将发生的事件通知给关心的应用程序去处理该事件。

以前的网络编程方式

拿使用 socket 实现的聊天程序举例。
服务器端：

public static void main(String[] args) { ServerSocket server = null; try { server = new ServerSocket(PROT); System.out.println(" server start .. "); //进行阻塞 while (true) {//这里应该循环，使得可以接受多个客户端的请求。 Socket socket = server.accept();//会阻塞,直到有客户端来链接 //新建一个线程执行客户端的任务 new Thread(new ServerHandler(socket)).start(); } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { if (server != null) { try { server.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } server = null; } }

每连接一个客户端，就新启动一个线程，如果有1万个客户端，就会产生一万个线程，会严重消耗掉 CPU 性能。
当然可以使用线程池，但是无法根本性地解决问题

使用 Nio

while (true) { try { //1 必须要让多路复用器开始监听 this.seletor.select(); //2 返回多路复用器已经选择的结果集 Iterator<SelectionKey> keys = this.seletor.selectedKeys().iterator(); //3 进行遍历 while (keys.hasNext()) { //4 获取一个选择的元素 SelectionKey key = keys.next(); //5 直接从容器中移除就可以了 keys.remove(); //6 如果是有效的 if (key.isValid()) { //7 如果为阻塞状态 if (key.isAcceptable()) { this.accept(key); } //8 如果为可读状态 if (key.isReadable()) { this.read(key); } //9 写数据 if (key.isWritable()) { this.write(key); //ssc } } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }

如果有客户端连接成功：

private void accept(SelectionKey key) { try { //1 获取服务通道 ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); //2 执行阻塞方法 SocketChannel sc = ssc.accept(); //3 设置阻塞模式 sc.configureBlocking(false); //4 注册到多路复用器上，并设置读取标识 sc.register(this.seletor, SelectionKey.OP_READ); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } }

我们看到 始终只有一个线程，不管有多少个客户端来连接。
注意：不是没有任何阻塞。
seletor.select()就会阻塞，但是其他的读写事件都不会，不像传统的
inputStream.read() 就会卡死在那里，直到有数据可读。

Nio和传统 io 的区别

传统 io

1. 每连接一个客户端，就会产生一个 socket，有多少个 socket 就会建立多少个线程；
2. 判断 socket 是否可读或可写，需要我们程序自己轮询；
3. 读写操作可能会阻塞直到可处理；
4. 传统 socket 是面向流的。

Nio

1. 一个线程就可以处理 n 个 socket得读写；
2. 不需要轮询所有的 socket，只需要轮询 this.seletor.select() ；
3. 面向缓冲区的。

为什么 Nio 不需要轮询所有的 socket 就知道哪些 socket 就绪(可读或可写)呢？
因为在 Nio 中，任何 socket 就绪都会回调一个钩子方法，应用程序就会马上知道。

epoll

参考：
http://man7.org/linux/man-pages/man7/epoll.7.html
epoll 是对 poll 的增强
epoll 提供了三个系统调用：
epoll_create
创建一个 epoll 实例，也是一个文件描述符，所有后续调用
到的epoll接口都会使用此文件描述符。

epoll_ctl
epoll实例的操作接口
方法签名：int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
共有四个参数：

参数名	含义
epfd	epoll 实例
op	操作类型，枚举：EPOLL_CTL_ADD，EPOLL_CTL_MOD，EPOLL_CTL_DEL， op为EPOLL_CTL_ADD 表示注册一个目标文件描述符 到 epoll 实例
fd	目标文件描述符
event	目标文件描述符感兴趣的事件，比如可读，可写，event 结构如下

events 是数字，可以是下面的枚举值由 or 组成的掩码：
EPOLLIN：可读；
EPOLLOUT：可写；
EPOLLERR：有异常发生；
等等，具体参考：http://man7.org/linux/man-pages/man7/epoll.7.html

epoll_wait
等待 epoll 实例上的 io 事件发生。
方法签名如下：
int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events,

 int maxevents, int timeout); 

参数名	含义
epfd	epoll 实例
maxevents	返回的最大的可处理的事件数量，必须大于0
timeout	epoll_wait 方法阻塞的超时时间
event	目标文件描述符待处理的事件，比如可读，可写

超时什么时候结束呢

1. 任何一个文件描述符回调了事件（前面通过epoll_ctl 注册的事件）；
2. 被signal handler 中断；
3. 超时

epoll 和 poll 的最大的区别(优点)

1. 能监控更多的文件描述符；
2. 不需要每次监控都要把所有的文件描述符 从用户态拷贝到内核态；
3. 不需要每次遍历所有的文件描述符。

epoll为什么判断是否有可处理的事件时不用遍历所有的文件描述符

说白了，epoll 采用了事件回调机制(类似 [观察者模式]())，其实后面有很多框架都采用了这种事件回调机制，比如 Nodejs 等。
epoll 监听 fd 事件时，有一个就绪队列，一旦某个 fd 就绪(即有待处理的事件，例如可读，可写)，就会放在这个就绪队列，应用程序调用.select() 时，不用重新遍历所有的 fd，只需要查询这个就绪队列就行。

Nio select 源码分析

注册 channel(套接字)

see /Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/SelectorImpl.java

 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; } 

其中,

1. implRegister(k) 是为了写入 channel 文件描述符的位置;
2. k.interestOps(ops) 为了写入监听的channel 可处理的操作

ops 的取值

1. SelectionKey.OP_CONNECT
2. SelectionKey.OP_WRITE
3. SelectionKey.OP_READ

implRegister的实现

见/Users/whuanghkl/Downloads/rt.jar.source/classes/sun/nio/ch/AbstractPollSelectorImpl.java

 protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) { synchronized (closeLock) { if (closed) throw new ClosedSelectorException(); // Check to see if the array is large enough if (channelArray.length == totalChannels) { // Make a larger array int newSize = pollWrapper.totalChannels * 2; SelectionKeyImpl temp[] = new SelectionKeyImpl[newSize]; // Copy over for (int i=channelOffset; i<totalChannels; i++) temp[i] = channelArray[i]; channelArray = temp; // Grow the NativeObject poll array pollWrapper.grow(newSize); } channelArray[totalChannels] = ski; ski.setIndex(totalChannels); pollWrapper.addEntry(ski.channel); totalChannels++; keys.add(ski); } } void addEntry(SelChImpl var1) { this.putDescriptor(this.totalChannels, IOUtil.fdVal(var1.getFD())); this.putEventOps(this.totalChannels, 0); this.putReventOps(this.totalChannels, 0); ++this.totalChannels; } 

Windows系统 实现

见 /Users/xxx/Downloads/openjdk-8u40-src-b25-10_feb_2015/openjdk/jdk/src/windows/classes/sun/nio/ch/WindowsSelectorImpl.java

 protected void implRegister(SelectionKeyImpl ski) { synchronized (closeLock) { if (pollWrapper == null) throw new ClosedSelectorException(); growIfNeeded(); channelArray[totalChannels] = ski; ski.setIndex(totalChannels); fdMap.put(ski); keys.add(ski); pollWrapper.addEntry(totalChannels, ski); totalChannels++; } }

重点方法: pollWrapper.addEntry(totalChannels, ski);

 void addEntry(SelChImpl var1) { this.putDescriptor(this.totalChannels, IOUtil.fdVal(var1.getFD())); this.putEventOps(this.totalChannels, 0); this.putReventOps(this.totalChannels, 0); ++this.totalChannels; }

注册(监听)channel感兴趣的操作

k.interestOps(ops)

public SelectionKey interestOps(int ops) { ensureValid(); return nioInterestOps(ops); } public SelectionKey nioInterestOps(int ops) { if ((ops & ~channel().validOps()) != 0) throw new IllegalArgumentException(); channel.translateAndSetInterestOps(ops, this); interestOps = ops; return this; } 

方法channel.translateAndSetInterestOps(ops, this)中调用了 void translateAndSetInterestOps(int ops, SelectionKeyImpl sk);

translateAndSetInterestOps 见/Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/SocketChannelImpl.java

 /** * Translates an interest operation set into a native poll event set */ public void translateAndSetInterestOps(int ops, SelectionKeyImpl sk) { int newOps = 0; if ((ops & SelectionKey.OP_READ) != 0) newOps |= Net.POLLIN; if ((ops & SelectionKey.OP_WRITE) != 0) newOps |= Net.POLLOUT; if ((ops & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0) newOps |= Net.POLLCONN; sk.selector.putEventOps(sk, newOps); }

/Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/AbstractPollSelectorImpl.java 中

 public void putEventOps(SelectionKeyImpl sk, int ops) { synchronized (closeLock) { if (closed) throw new ClosedSelectorException(); pollWrapper.putEventOps(sk.getIndex(), ops); } } void putEventOps(int i, int event) { int offset = SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET; pollArray.putShort(offset, (short)event); } 

unsafe 常用操作解析

putInt 表示在指定位置写入一个 int类型数据

 /** * Writes an int at the specified offset from this native object's * base address. * * @param offset * The offset at which to write the int * * @param value * The int value to be written */ final void putInt(int offset, int value) { unsafe.putInt(offset + address, value); }

poll

见 /Users/xxx/Downloads/openjdk-8u40-src-b25-10_feb_2015/openjdk/jdk/src/windows/classes/sun/nio/ch/WindowsSelectorImpl.java

 private int poll() throws IOException{ // poll for the main thread return poll0(pollWrapper.pollArrayAddress, Math.min(totalChannels, MAX_SELECTABLE_FDS), readFds, writeFds, exceptFds, timeout); } private int poll(int index) throws IOException { // poll for helper threads return poll0(pollWrapper.pollArrayAddress + (pollArrayIndex * PollArrayWrapper.SIZE_POLLFD), Math.min(MAX_SELECTABLE_FDS, totalChannels - (index + 1) * MAX_SELECTABLE_FDS), readFds, writeFds, exceptFds, timeout); }

调用操作系统的能力来监听socket

select

select做了哪些事?

1. poll,阻塞,获取channel 列表中可操作的channel;
2. 如果有可以操作的channel,则poll 会返回;
3. 根据操作系统调用的返回readFds, writeFds, exceptFds,来更新selectedKeys
   见 /Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/AbstractPollSelectorImpl.java

 /** * Copy the information in the pollfd structs into the opss * of the corresponding Channels. Add the ready keys to the * ready queue. */ protected int updateSelectedKeys() { int numKeysUpdated = 0; // Skip zeroth entry; it is for interrupts only for (int i=channelOffset; i<totalChannels; i++) { int rOps = pollWrapper.getReventOps(i); if (rOps != 0) { SelectionKeyImpl sk = channelArray[i]; pollWrapper.putReventOps(i, 0); if (selectedKeys.contains(sk)) { if (sk.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, sk)) { numKeysUpdated++; } } else { sk.channel.translateAndSetReadyOps(rOps, sk); if ((sk.nioReadyOps() & sk.nioInterestOps()) != 0) { selectedKeys.add(sk); numKeysUpdated++; } } } } return numKeysUpdated; } 

处理监听结果

见 /Users/xxx/Downloads/openjdk-8u40-src-b25-10_feb_2015/openjdk/jdk/src/windows/classes/sun/nio/ch/WindowsSelectorImpl.java

 private int processSelectedKeys(long updateCount) { int numKeysUpdated = 0; numKeysUpdated += processFDSet(updateCount, readFds, Net.POLLIN, false); numKeysUpdated += processFDSet(updateCount, writeFds, Net.POLLCONN | Net.POLLOUT, false); numKeysUpdated += processFDSet(updateCount, exceptFds, Net.POLLIN | Net.POLLCONN | Net.POLLOUT, true); return numKeysUpdated; }

AbstractPollArrayWrapper 源码

/** * Manipulates a native array of pollfd structs. * * @author Mike McCloskey * @since 1.4 */ public abstract class AbstractPollArrayWrapper { // Miscellaneous constants static final short SIZE_POLLFD = 8; static final short FD_OFFSET = 0; static final short EVENT_OFFSET = 4; static final short REVENT_OFFSET = 6; // The poll fd array protected AllocatedNativeObject pollArray; // Number of valid entries in the pollArray protected int totalChannels = 0; // Base address of the native pollArray protected long pollArrayAddress; // Access methods for fd structures int getEventOps(int i) { int offset = SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET; return pollArray.getShort(offset); } int getReventOps(int i) { int offset = SIZE_POLLFD * i + REVENT_OFFSET; return pollArray.getShort(offset); } int getDescriptor(int i) { int offset = SIZE_POLLFD * i + FD_OFFSET; return pollArray.getInt(offset); } void putEventOps(int i, int event) { int offset = SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET; pollArray.putShort(offset, (short)event); } void putReventOps(int i, int revent) { int offset = SIZE_POLLFD * i + REVENT_OFFSET; pollArray.putShort(offset, (short)revent); } void putDescriptor(int i, int fd) { int offset = SIZE_POLLFD * i + FD_OFFSET; pollArray.putInt(offset, fd); } } 

int 是四个字节

见/Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/NativeObject.java

 /** * Reads an address from this native object at the given offset and * constructs a native object using that address. * * @param offset * The offset of the address to be read. Note that the size of an * address is implementation-dependent. * * @return The native object created using the address read from the * given offset */ NativeObject getObject(int offset) { long newAddress = 0L; switch (addressSize()) { case 8: newAddress = unsafe.getLong(offset + address); break; case 4: newAddress = unsafe.getInt(offset + address) & 0x00000000FFFFFFFF; break; default: throw new InternalError("Address size not supported"); } return new NativeObject(newAddress); }

poll file description 的结构

见 /Users/xxx/Downloads/jdk_src2/sun/nio/ch/PollArrayWrapper.java

Manipulates a native array of pollfd structs on Solaris: typedef struct pollfd { int fd; short events; short revents; } pollfd_t; 

一个描述符占用8个字节

jdk源码

https://yddmax.github.io/2017/06/05/openjdk%E6%BA%90%E7%A0%81%E7%9B%AE%E5%BD%95/

后记

epoll 属于偏底层的，不太好理解。
为了加深理解，可以了解下 JavaScript 的 Event Loop 或 NodeJs 的 Event Loop

参考：

http://man7.org/linux/man-pages/man7/epoll.7.html

https://juejin.im/entry/5b6058fde51d45348a2ffc65)

https://linux.die.net/man/2/epoll_wait

https://juejin.im/post/5b0524f8518825428a2631ee