socket 多路復用原理和代碼 select poll epoll

B站有學習視頻 

https://www.bilibili.com/video/BV1n5411b76b?p=1 可以直接從該視頻第一小節6:00 開始看。

老師從BIO 開始講BIO的缺陷，改進方案:多線程BIO ，在一步步進化到NIO，最后進化到調用linux內核的多路復用。

多路復用簡化圖流程如下：

首先需要思考，最原始的socket流有何缺陷，"痛點"在哪里，根據痛點又是如何改造的。比如：

1、流是單向的，通道是雙向的，可讀可寫。
2、流讀寫是阻塞的，通道可以異步讀寫，效率的提升很明顯。

下面是我整理出老師講的進化過程：

單線程原生socket

首先回顧一下socket clinet和socket server是怎么調用的。

//服務端 
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.setReuseAddress(true);//這個設置要放在綁定端口前
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8090));
while(true){
    Socket socket = serverSocket.accept();//阻塞
    socket.getInputStream().read();//阻塞
}
//客戶端
Socket clientSocket = new Socket("127.0.0.1", 8090);
clientSocket.getOutputStream().write("aaa".getBytes());
clientSocket.close();

以上服務端代碼在遇到高並發的客戶端訪問時，會不停的創建對象，有性能問題
為了解決性能問題，需要引入多線程，進化版如下：

 多線程socket

  //服務器
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.setReuseAddress(true);//這個設置要放在綁定端口前
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8090));
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10000);//線程池
while(true){
    Socket socket = serverSocket.accept();//阻塞
    //socket.getInputStream().read();//這段阻塞的代碼放入子線程HandleSocketSer中
    pool.execute(new HandleSocketSer(socket));
}
//客戶端和之前一樣

現在代碼接收連接的是主線程，已經讓子線程來處理每個連接了。

但是還有性能問題，有1萬個連接，1萬個連接中只有200個連接有數據發送過來，但是卻起了1萬個線程，會有資源浪費的情況，需要進一步優化

單線程多路復用

 

 思路就是添加一個列表，寫個循環，一直監控socket連接中有沒有數據過來，這樣接收新的連接不會阻塞，每次有數據發送過來，都會先添加到列表中，在遍歷一次列表獲取數據，然后阻塞到serverSocket.accept()繼續等待。

這里的時候已經使用ServerSocketChannel通道了，N個請求過來，都是復用這一個通道來處理(讀/寫)的。

單線程 (使用linux內核做)多路復用

為了進一步優化代碼性能，將輪訓監控列表的部分，放到linux內核執行（通過jvm調用linux內核），可以提高性能，進化版如下：

如上圖所以，如果現在有三個連接，1和2發送數據，而3沒有數據只做了連接，是不會做讀/寫操作的。

SelectorServerDemo

public class SelectorTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocketChannel ssc= ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);//配置為非阻塞模式
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(7707));
 // 通過open()方法找到Selector 
 // 底層： 開啟epoll，為當前socket服務創建epoll服務，epoll_create
        Selector selector =Selector.open();
        ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ByteBuffer buff=ByteBuffer.allocate(48);

        while (true){
            int n=selector.select();
            if(n==0) continue;
            Iterator<SelectionKey> it=selector.selectedKeys().iterator();
        while(it.hasNext()){
            SelectionKey sk=it.next();
            if(sk.isAcceptable()){
                System.out.println("accpet----------");
                //這里類型轉為ServerSocketChannel 主要用來處理請求，“實際干活的”是下面SocketChannel
                //在netty中，進化為BossGroup和workGroup  
                SocketChannel ssc_a=((ServerSocketChannel) sk.channel()).accept();
                ssc_a.configureBlocking(false);
                ssc_a.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            }else if(sk.isConnectable()){
                System.out.println("Connect----------");
                //DOOTHER
            }else if(sk.isReadable()){
                System.out.println("Read----------");
                SocketChannel ssc_r=(SocketChannel) sk.channel();
                //清理緩存並接收數據
                buff.clear();
            try {
                  int count=ssc_r.read(buff); 
                  if (count > 0) {
                    System.out.println(new String(buff.array(),0,count));
                    ssc_r.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);
                  }
                } catch (IOException e) {
                  sk.cancel();//關閉需要2步
                  ssc_r.close();
                 }
            }else if(sk.isWritable()){

 System.out.println("Write----------"); buff.clear(); // 返回為之創建此鍵的通道。 SocketChannel ssc_w = (SocketChannel) sk.channel(); String sendText="response message ------"; //向緩沖區中輸入數據  buff.put(sendText.getBytes()); //將緩沖區各標志復位,因為向里面put了數據標志被改變要想從中讀取數據發向服務器,就要復位  buff.flip(); //輸出到通道  ssc_w.write(buff); ssc_w.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } it.remove(); } } } }

ClinetDemo

public class SelectorClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel sc=SocketChannel.open();
        sc.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",7707));
        ByteBuffer bf= ByteBuffer.allocate(48);

        bf.putChar('N');
        bf.putChar('B');
        bf.putChar('A');
        bf.flip();   //flip 將寫模式切換為讀取模式（原理是通過改變游標和位置）
        sc.write(bf); //模擬發送
        sc.close();  
        System.out.println("client end====");
    }
}

 后續的一個演化版本就是netty了，一個高性能、異步事件驅動的NIO框架。

參考 

https://www.bilibili.com/video/BV1n5411b76b?p=1   （享學課堂視頻）

https://www.jianshu.com/p/0d497fe5484a   （簡書狼哥博客）