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java Socket編程實現(xiàn)I/O多路復(fù)用的示例

 更新時間:2023年09月05日 14:28:41   作者:nika_yo_nihao  
本文主要介紹了java Socket編程實現(xiàn)I/O多路復(fù)用的示例,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

I/O多路復(fù)用

最基本的Socket模型:可以讓進程跨主機通信.

具體流程是這樣:服務(wù)端開辟一個Socket,為這個Socket綁定IP地址(找到機器的網(wǎng)卡)和端口號(找到進程),通過listen()函數(shù)進行監(jiān)聽。在客戶端通過connect()函數(shù)發(fā)起連接后,服務(wù)端的Socket會維護兩個隊列,一個是還沒有完全建立連接的隊列,叫TCP半連接隊列;另一個是已經(jīng)建立連接(完成了三次握手)的隊列,叫全連接隊列。服務(wù)端會通過accept()函數(shù)從全連接隊列拿出一個socket,后續(xù)傳輸都用這個Socket。

多進程模型

為了讓一個服務(wù)端服務(wù)多個客戶端,由此產(chǎn)生了多進程模型。

本質(zhì)就是讓一個父進程去處理和多個客戶端的連接,然后每連一個客戶端,都fork一個父進程的子進程,讓這個子進程用于和新增的客戶端進行數(shù)據(jù)的讀寫。

但這種方式弊端還是很大的,因為創(chuàng)建進程的開銷是很大的,需要為這個進程分配虛擬內(nèi)存,棧,全局變量等信息,在這個進程進行上下文切換的時候是很費勁的。
因此這個模型也無法支持太多的并發(fā)量。

多線程模型

既然進程這個單位是很重且開銷很大的,因此我們可以用線程去替代線程。

同一個進程的多個線程可以去共享進程中的部分資源,如文件描述符列表,全局?jǐn)?shù)據(jù),堆等,這些共享資源是無需切換的。需要切換的只有線程的私有數(shù)據(jù),如幫助線程上下文切換的寄存器。所以線程的創(chuàng)建的開銷是很小的。

多線程模型的過程是這樣的,父進程同樣負責(zé)跟多個客戶端創(chuàng)建連接,然后將已經(jīng)創(chuàng)建好連接的socket放入到隊列中。在這個父進程中的多個線程負責(zé)拿鎖去從這個隊列里面取出socket,然后往對應(yīng)的取出的socket中進行讀寫。

但就算是這樣,創(chuàng)建線程的開銷即使不大,也沒辦法支撐太多的并發(fā),只是比多進程模型更優(yōu)秀。

既然為每個請求分配一個線程或者進程的方式開銷都有些大,那么有可能只用一個進程取維護多個Socket呢?

下面我們就要說說I/O復(fù)用技術(shù)了,其實I/O多路復(fù)用技術(shù)優(yōu)點類似于CPU時間片的利用。雖然一個進程同一時間內(nèi)只能處理一個socket,但是如果說這個socket的處理時間只有1ms,那么放到1s內(nèi)來看,它其實也是有100的并發(fā)量的。

select/poll/epoll是三個多路復(fù)用的接口。

select/poll/epoll

select實現(xiàn)多路復(fù)用的方式是,把已經(jīng)連接的socket的文件描述符放入內(nèi)核中,內(nèi)核負責(zé)遍歷這些socket,當(dāng)檢查有讀或者寫事件的時候,就把這個socket標(biāo)記為可讀或者可寫,接著把這些文件描述符集合拷貝回用戶態(tài)。用戶態(tài)再遍歷取出可讀或者可寫的socket并對其進行處理。

文件描述符集合就是每一項都指向一個打開的文件。

poll與select的區(qū)別就是poll是用鏈表存儲。

epoll的內(nèi)核對socket的存儲結(jié)構(gòu)和select/poll就不同了,它們是線性的存儲結(jié)構(gòu),每次執(zhí)行這兩個方法的時候都是把整個socket傳給內(nèi)核。而epoll是用紅黑樹存儲,當(dāng)有一個新的需要檢測的socket來臨時,只需要傳一個即可,大幅減少了內(nèi)核和用戶空間的拷貝過程。

此外,epoll的內(nèi)核還維護了一個鏈表來記錄就緒事件,當(dāng)檢測的socket有就緒事件發(fā)生時,就會通過回調(diào)函數(shù)把這個事件加入這個就緒事件鏈表當(dāng)中,當(dāng)用戶態(tài)需要這個就緒鏈表的時候,只會返回有事件發(fā)生的文件描述符列表,拷貝回用戶態(tài),無需像select/poll一樣,無論這個socket是否有事件發(fā)生,都全部拷貝回去。

Socket編程實現(xiàn)I/O多路復(fù)用模型

Server端:主線程負責(zé)處理連接事件,讀線程交給異步支線線程處理,達到I/O多路復(fù)用的效果,同時這也是Netty框架的部分底層思想實現(xiàn)噢~

public class SimpleServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
?
        System.out.println("這里是服務(wù)端");
?
        //創(chuàng)建服務(wù)端Channel
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
?
        //設(shè)置非阻塞
        serverChannel.configureBlocking(false);
?
        //創(chuàng)建Selector
        Selector selector = Selector.open();
?
        //0代表不對任何事件感興趣
        SelectionKey selectionKey = serverChannel.register(selector, 0, serverChannel);
?
        //對連接接收事件感興趣
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
?
        //綁定端口
        serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
?
        NioEventLoop executor = new NioEventLoop();
        //主線程負責(zé)連接
        while (true){
            //當(dāng)沒有事件到來的時候,這里是阻塞的,有事件的時候會自動運行
            selector.select();
            //如果有事件到來,這里可以得到注冊到該selector上的所有的key,每一個key上都有一個channel
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            //得到集合的迭代器
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
            while (keyIterator.hasNext()){
                //得到每一個key
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                //首先要從集合中把key刪除,否則會一直報告該key
                keyIterator.remove();
                //接下來就要處理事件,判斷selector輪詢到的是什么事件,并根據(jù)事件作出回應(yīng)
                //如果是連接事件
                if(key.isAcceptable()){
                    //之前把服務(wù)端channel注冊到selector上時候,把serverChannel放進來了
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    //接收客戶端channel
                    SocketChannel clientChannel = channel.accept();
                    clientChannel.configureBlocking(false);
                    SelectionKey clientSocketKey = clientChannel.register(selector, 0, clientChannel);
                    //將客戶端channel設(shè)置為可讀事件
                    clientSocketKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客戶端連接成功"+System.currentTimeMillis());
                    //worker線程開始從客戶端讀數(shù)據(jù),把客戶端的channel交給worker
                    executor.register(clientChannel,executor);
                    //用channel寫回一條信息
                    clientChannel.write(ByteBuffer.wrap("服務(wù)端寫回客戶端成功".getBytes()));
                    System.out.println("向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)成功"+System.currentTimeMillis());
                }
            }
        }
?
    }
}
public class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop{
?
    protected Selector selector ;
?
    public NioEventLoop() throws IOException {
        this.selector = Selector.open();
    }
?
    public Selector getSelector(){
        return this.selector;
    }
?
    //循環(huán)阻塞,如果有事件發(fā)生,或者隊列有東西,就放行
    private void select() throws IOException {
        while (true){
            //阻塞等待事件,如果3s都沒有事件過來,可能是沒有初始化。
            int select = selector.select(3000);
            if(select != 0 || hasTasks()){
                break;
            }
        }
    }
?
    private void runAllTasks() {
?
        for (;;){
            Runnable task = tasksQueue.poll();
            if(task == null){
                break;
            }
            System.out.println("開始處理注冊事件");
            task.run();
        }
    }
?
    private void processSelectedKeys() throws IOException {
        System.out.println("開始處理I/O事件");
        Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            SelectionKey key = iterator.next();
            iterator.remove();
            //由于連接事件被處理完了,只剩下只讀事件了
            if (key.isReadable()) {
                SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int len = 0;
                len = socketChannel.read(buffer);
                if (len == -1) {
                    socketChannel.close();
                    break;
                } else {
                    buffer.flip();
                    System.out.println(Charset.defaultCharset().decode(buffer).toString() + System.currentTimeMillis());
                }
            }
        }
    }
?
    @Override
    public void run(){
        while (true) {
            try {
                //等待任務(wù)
                select();
                //I/O任務(wù)來了先處理I/O任務(wù)
                processSelectedKeys();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }finally {
                //最后處理隊列任務(wù)。第一遍走過來的時候會先處理隊列任務(wù)
                runAllTasks();
            }
        }
    }
}
public abstract class SingleThreadEventExecutor implements Executor {
?
 ? ?private volatile boolean isSingle = false;
?
 ? ?private RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler;
?
 ? ?protected Queue<Runnable> tasksQueue;
?
 ? ?protected Thread thread;
?
 ? ?//初始化的時候,1.構(gòu)建線程池的屬性,如隊列,拒絕策略。2.構(gòu)建當(dāng)前線程的Selector
 ? ?public SingleThreadEventExecutor() {
 ? ? ? ?this.tasksQueue = new LinkedBlockingQueue<>(Integer.MAX_VALUE);
 ? ? ? ?this.rejectedExecutionHandler = new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy();
 ?  }
?
 ? ?protected final void reject(Runnable task) {
// ? ? ?  rejectedExecutionHandler.rejectedExecution(task, this);
 ?  }
?
 ? ?protected boolean inEventLoop(Thread thread){
 ? ? ? ?return this.thread == thread;
 ?  }
?
 ? ?protected boolean hasTasks(){
 ? ? ? ?return this.tasksQueue.isEmpty();
 ?  }
?
?
 ? ?@Override
 ? ?public void execute(Runnable task) {
?
 ? ? ? ?//此時仍然是主線程。先把任務(wù)放入隊列,后續(xù)處理
 ? ? ? ?addTask(task);
 ? ? ? ?System.out.println("任務(wù)添加完成");
 ? ? ? ?startThread(task);
 ?  }
?
 ? ?protected final void addTask(Runnable task){
 ? ? ? ?this.tasksQueue.add(task);
 ?  }
?
 ? ?private void startThread(Runnable task) {
 ? ? ? ?if (isSingle) {
 ? ? ? ? ? ?return;
 ? ? ?  }
 ? ? ? ?isSingle = true;
 ? ? ? ?System.out.println("新線程任務(wù)成功創(chuàng)建");
 ? ? ? ?//這是個異步線程,單線程執(zhí)行器的核心
 ? ? ? ?new Thread(()->{
 ? ? ? ? ? ?thread = Thread.currentThread();
 ? ? ? ? ? ?SingleThreadEventExecutor.this.run();
 ? ? ? ? ? ?System.out.println("新線程任務(wù)跑完了");
 ? ? ?  }).start();
 ?  }
?
?
 ? ?protected abstract void run();
?
?
}
public abstract class SingleThreadEventLoop extends SingleThreadEventExecutor{
?
    private void register0(SocketChannel socketChannel,NioEventLoop nioEventLoop){
        try {
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(nioEventLoop.getSelector(), SelectionKey.OP_READ);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
?
    //注冊socketChannel到當(dāng)前的selector上
    public void register(SocketChannel socketChannel,NioEventLoop nioEventLoop){
        //先判斷當(dāng)前線程是否是執(zhí)行器線程,如果不是,說明是主線程,那么就還沒被構(gòu)造。
        if(inEventLoop(Thread.currentThread())){
            register0(socketChannel,nioEventLoop);
        }else {
            //否則是第一次注冊,就先構(gòu)造線程即可。
            execute(()->{
                register0(socketChannel,nioEventLoop);
                System.out.println("executor執(zhí)行完成");
            });
        }
    }
}

到此這篇關(guān)于java Socket編程實現(xiàn)I/O多路復(fù)用的示例的文章就介紹到這了,更多相關(guān)jav I/O多路復(fù)用內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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