NIOChannel接口分析

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NIO-Channel接口分析

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前言

本来是想学习Netty的,但是Netty是一个NIO框架,因此在学习netty之前,还是先梳理一下NIO的知识。通过剖析源码理解NIO的设计原理。

本系列文章针对的是JDK1.8.0.161的源码。

上一篇介绍了Channel的基本使用,下面对Channel的接口进行分析。

接口

SCTP协议

SCTP(Stream Control Transmission Protocol)是一种传输协议,在TCP/IP协议栈中所处的位置和TCP、UDP类似,兼有TCP/UDP两者特征。

对于SCTP协议这里不详细描述,想了解的同学可以看下这篇文章 SCTP协议平时用的不多,这里不做具体讨论。

UDP协议

NIO使用DatagrmChannel实现了UDP协议的网络通讯。

下面我们对各个接口进行分析。

AutoCloseableCloseable分别是自动关闭和主动关闭接口。当资源(如句柄或文件等)需要释放时,则需要调用close方法释放资源。

public interface AutoCloseable {

void close() throws Exception;

}

public interface Closeable extends AutoCloseable {

void close() throws IOException;

}

Channel是通道接口,针对于I/O相关的操作,需要打开和关闭操作。

public interface Channel extends Closeable {

boolean isOpen();

void close() throws IOException;

}

InterruptibleChannel是支持异步关闭和中断的通道接口。为了支持Thead的interrupt模型,当线程中断时,可以执行中断处理对象的回调,从而关闭释放Channel。

public interface InterruptibleChannel extends Channel {

void close() throws IOException;

}

关于InterruptibleChannel可中断I/O详细解析可以看一下《JDK源码阅读-InterruptibleChannel与可中断IO》

Interruptible是线程中断接口,即上面提的Thead的interrupt模型。当线程中断时,则会调用中断操作。

public abstract interface Interruptible {

public abstract void interrupt(java.lang.Thread t);

}

public class Thread implements Runnable {

...

public void interrupt() {

if (this != Thread.currentThread())

checkAccess();

synchronized (blockerLock) {

Interruptible b = blocker;

if (b != null) {

interrupt0(); // Just to set the interrupt flag

b.interrupt(this);

return;

}

}

interrupt0();

}

...

}

AbstractInterruptibleChannel实现了ChannelInterruptibleChannel接口。

  • closeLock是关闭时的锁
  • open表示channle是否打开
  • interuptorInterruptible中断回调
  • interrupted为I/O执行时的线程
public abstract class AbstractInterruptibleChannel implements Channel, InterruptibleChannel {

...

public final void close() throws IOException {

synchronized(this.closeLock) {

if (this.open) {

this.open = false;

this.implCloseChannel();

}

}

}

//具体的Channel实现关闭

protected abstract void implCloseChannel() throws IOException;

protected final void begin() {

if (this.interruptor == null) {

this.interruptor = new Interruptible() {

//线程中断时,则会调用该接口关闭Channel

public void interrupt(Thread target) {

synchronized(AbstractInterruptibleChannel.this.closeLock) {

if (AbstractInterruptibleChannel.this.open) {

AbstractInterruptibleChannel.this.open = false;

AbstractInterruptibleChannel.this.interrupted = target;

try {

AbstractInterruptibleChannel.this.implCloseChannel();

} catch (IOException x) {

}

}

}

}

};

}

//将线程的blockOn设置为当前interruptor,从而使得线程关闭时能关闭channel

blockedOn(this.interruptor);

Thread me = Thread.currentThread();

if (me.isInterrupted()) {

this.interruptor.interrupt(me);

}

}

protected final void end(boolean completed)

throws AsynchronousCloseException

{

//I/O结束,清除线程blocker

blockedOn(null);

Thread interrupted = this.interrupted;

if (interrupted != null && interrupted == Thread.currentThread()) {

interrupted = null;

throw new ClosedByInterruptException();

}

if (!completed && !open)

throw new AsynchronousCloseException();

}

static void blockedOn(Interruptible intr) {

SharedSecrets.getJavaLangAccess().blockedOn(Thread.currentThread(), intr);

}

}

AbstractInterruptibleChannel添加了beginend方法。 在I/O操作开始时会调用begin,在I/O操作结束时会调用end。在begin方法内将中断操作加入到当前线程中。最终会调用到线程的blockOn方法,它会将该中断接口注入到线程中,使得线程中断时可以调用到Channel并释放相关资源。

public void blockedOn(Thread t, Interruptible b) {

t.blockedOn(b);

}

SelectableChannel接口声明了Channel是可以被选择的,在Windows平台通过WindowsSelectorImpl实现,Linux通过EPollSelectorImpl实现。此外还有KQueue等实现,关于Selector具体细节在《NIO-Selector》一文中会介绍。

AbstractSelectableChannel实现了SelectableChannel接口。

NetworkChannel适用于网络传输的接口。

public interface NetworkChannel extends Channel {

//绑定地址

NetworkChannel bind(SocketAddress var1) throws IOException;

//获取本地地址

SocketAddress getLocalAddress() throws IOException;

//设置socket选项

<T> NetworkChannel setOption(SocketOption<T> var1, T var2) throws IOException;

//获取socket选项

<T> T getOption(SocketOption<T> var1) throws IOException;

//当前通道支持的socket选项

Set<SocketOption<?>> supportedOptions();

}

MulticastChannel是支持组播接口。

public interface MulticastChannel extends NetworkChannel {

void close() throws IOException;

MembershipKey join(InetAddress group, NetworkInterface interf) throws IOException;

MembershipKey join(InetAddress group, NetworkInterface interf, InetAddress source) throws IOException;

}

SelChImpl接口用于将底层的I/O就绪状态更新为就绪事件。

public interface SelChImpl extends Channel {

FileDescriptor getFD();

int getFDVal();

//更新就绪事件

public boolean translateAndUpdateReadyOps(int ops, SelectionKeyImpl sk);

//设置就绪事件

public boolean translateAndSetReadyOps(int ops, SelectionKeyImpl sk);

//将底层的轮询操作转换为事件

void translateAndSetInterestOps(int ops, SelectionKeyImpl sk);

//返回channle支持的操作,比如读操作、写操作等

int validOps();

void kill() throws IOException;

}

由于UDP支持读写数据,因此还实现了ReadableByteChannelWritableByteChannel接口

public interface ReadableByteChannel extends Channel {

int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

}

public interface WritableByteChannel extends Channel {

int write(ByteBuffer src) throws IOException;

}

ByteChannel是支持读写的通道。

public interface ByteChannel extends ReadableByteChannel, WritableByteChannel {

}

ScatteringByteChannel则支持根据传入偏移量读,支持根据传入偏移量写GatheringByteChannel

public interface ScatteringByteChannel extends ReadableByteChannel {

long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException;

long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException;}

public interface GatheringByteChannel extends WritableByteChannel {

long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length) throws IOException;

long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException;

}

TCP协议

客户端

TCP协议除了不支持组播,其他和UDP是一样的,不再重复介绍。

服务端

服务端无需数据读写,仅需要接收连接,数据读写是SocketChannel干的事。因此没有ReadableByteChannelWriteableByteChannel等读写接口

文件

文件比网络协议少了NetworkChannelSelChImplSelectableChannelSelChImplSelectableChannel主要是用于支持选择器的,由于网络传输大多数连接时空闲的,而且数据何时会到来并不知晓,同时需要支持高并发来连接,因此支持多路复用技术可以显著的提高性能,而磁盘读写则没有该需求,因此无需选择器。

SeekableByteChannel可以通过修改position支持从指定位置读写数据。

public interface SeekableByteChannel extends ByteChannel {

int read(ByteBuffer dst) throws IOException;

int write(ByteBuffer src) throws IOException;

long position() throws IOException;

//设置偏移量

SeekableByteChannel position(long newPosition) throws IOException;

long size() throws IOException;

//截取指定大小

SeekableByteChannel truncate(long size) throws IOException;

}

总结

由于文章篇幅比较长,因此还是将接口分析和实现分析分开。本篇文章对Channel的接口进行说明,下一篇将对具体的实现进行分析。

相关文献

  1. SCTP协议详解
  2. 史上最强Java NIO入门:担心从入门到放弃的,请读这篇!
  3. Java NIO系列教程
  4. 为什么SCTP没有被大量使用/知道
  5. JDK源码阅读-InterruptibleChannel与可中断IO
  6. 广播和组播
  7. 关于AccessController.doPrivileged
  8. ServiceLoader源码分析
  9. 基于Java的RDMA高性能通信库(六):SDP - Java Socket Direct Protocol

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