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https://edu.csdn.net/course/detail/35475 大家好我是大明哥一个专注于【死磕 Java】系列创作的程序员。 【死磕 Java 】系列为作者「chenssy」 倾情打造的 Java 系列文章深入分析 Java 相关技术核心原理及源码。 死磕 Java https://www.cmsblogs.com/group/1420041599311810560 前两篇文章我们分析了 Channel 及 FileChannel这篇文章我们探究 SocketChannel的核心原理毕竟下一个系列就是 **【死磕 Netty】**了。 聊聊Socket
要想掌握 SocketChannel我们就必须先了解什么是 Socket。要想解释清楚 Socket就需要了解下 TCP/IP。
注本文重点在 SocketChannel所以对 TCP和 Socket仅仅只做相关介绍有兴趣的同学麻烦自查专业资料。
TCP/IP 体系结构
学过计算机网络的小伙伴知道计算机网络是分层的每层专注于一类事情。OSI 网路模型分为七层如下 OSI 模型是理论中的模型在实际应用中我们使用的是 TCP/IP 四层模型它对OSI模型重新进行了划分和规整如下 网络层次划分清楚了那怎么传输数据呢如下图 计算机A首先在应用层将要发送的数据准备好然后给传输层 传输层的主要作用就是为发送端和接收端提供可靠的连接服务传输层将数据处理完成后给网络层 网络层的一个核心功能就是数据传输路径的选择。计算机A到计算机B有很多条路网络层的作用就是负责管理下一步数据应该到那个路由器选择好路径后数据就到了网络接入层该层主要负责将数据从一个路由器发送到另一个路由器。
上图是一个非常清晰的传输过程。但是我们思考两个个问题
计算机A是怎么知道计算机B的具体位置的呢它又怎么知道将该数据包发送给哪个应用程序呢
TCP/IP协议族已经帮我们解决了这个问题 IP地址协议端口。
网络层的“IP地址”唯一标识了网络中的主机这样就可以找到要将数据发送给哪台主机了。传输层的“协议 端口”唯一标识主机中的应用程序这样就可以找到要将数据发给那个应该程序了。
利用三元组IP地址、协议、端口就可以让计算机A确定将数据包发送给计算机B的应用程序了。
使用TCP/IP 协议的应用程序通常采用编程接口UNIX BSD的套接字(socket)和UNIX System V的TLI(已经被淘汰)来实现网络进程之间的通信。就目前而言 几乎所有的应用程序都是采用的 Socket。
Socket
上面提到就目前而言几乎所有的应用程序都是采用 Socket 来完成网络通信的。那什么是Socket呢百度百科是这样定义的 套接字socket是一个抽象层应用程序可以通过它发送或接收数据可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。 在TCP/IP四层模型中我们并没有看到 Socket 影子那它到底在哪里呢 又扮演什么角色呢
Socket 并不是属于 TCP/IP 模型中的任何一层它的存在只是为了让应用层能够更加简便地将数据传输给传输层应用层不需要关注TCP/IP 协议的复杂内容。我们可以将其理解成一个接口一个把复杂的TCP/IP协议族隐藏起来的接口对于应用层而言他们只需要简单地调用 Socket 接口就可以实现复杂的TCP/IP 协议就像设计模式中的门面模式 将复杂的TCP\IP 协议族隐藏起来对外提供统一的接口是应用层能够更加容易地使用。简单地说就是简单来说可以把 Socket理解成是应用层与TCP/IP协议族通信的抽象层、函数库。 下图是 Socket一次完整的通信流程图 上图设计到的Socket 相关函数
socket()返回套接字描述符connect()建立连接bind()一个本地协议地址赋予一个套接字linsten()服务器监听端口连接accept()应用程序接受完成3次握手的客户端连接send()、recv()、write()、read()服务端与客户端互相发送数据colse()关闭连接
探究SocketChannel
SocketChannel 是一个连接 TCP 网络Socket 的 Channel我们可以认为它是对传统 Java Socket API的改进。它支持了非阻塞的读写。
SocketChannel具有如下特点
对于已经存在的socket不能创建SocketChannel。SocketChannel中提供的open接口创建的Channel并没有进行网络级联需要使用connect接口连接到指定地址。未进行连接的SocketChannle执行I/O操作时会抛出NotYetConnectedException。SocketChannel支持两种I/O模式阻塞式和非阻塞式。SocketChannel支持异步关闭。如果SocketChannel在一个线程上read阻塞另一个线程对该SocketChannel调用shutdownInput则读阻塞的线程将返回-1表示没有读取任何数据如果SocketChannel在一个线程上write阻塞另一个线程对该SocketChannel调用shutdownWrite则写阻塞的线程将抛出AsynchronousCloseException。
SocketChannel 的使用
1. 创建SocketChannel
要想使用 SocketChannel我们首先得创建它。创建SocketChannel的方式有两种
| | // 方式 1 |
| | SocketChannel socketChannel SocketChannel.open(new InetSocketAddress(www.baidu.com, 80)); |
| | |
| | // 方式 2 |
| | SocketChannel socketChannel SocketChannel.open(); |
| | socketChannel.connect(new InetSocketAddress(www.baidu.com, 80)); |
| | |
2、连接校验
使用的SocketChannel必须是已连接的如果使用一个未连接的SocketChannel则会抛出 NotYetConnectedException。SocketChannel提供了四个方法来校验连接。
| | // 测试SocketChannel是否为open状态 |
| | socketChannel.isOpen(); |
| | // 测试SocketChannel是否已经被连接 |
| | socketChannel.isConnected(); |
| | // 测试SocketChannel是否正在进行连接 |
| | socketChannel.isConnectionPending(); |
| | // 校验正在进行套接字连接的SocketChannel是否已经完成连接 |
| | socketChannel.finishConnect(); |
3、读操作
SocketChannel 提供了 read()方法用于读取数据
| | public abstract int read(ByteBuffer dst) throws IOException; |
| | |
| | public abstract long read(ByteBuffer[] dsts, int offset, int length) throws IOException; |
| | |
| | public final long read(ByteBuffer[] dsts) throws IOException { |
| | return read(dsts, 0, dsts.length); |
| | } |
首先我们需要先分配一个 ByteBuffer然后调用 read()方法该方法会将数据从SocketChannel读入到 ByteBuffer中。
| | ByteBuffer buf ByteBuffer.allocate(48); |
| | int bytesRead socketChannel.read(buf); |
| | |
read()方法会返回一个 int 值该值表示读取了多少数据到 Buffer 中如果返回 -1则表示已经读到了流的末尾。
4、写操作
调用 SocketChannel的write()方法可以向 SocketChannel 中写数据。
| | public abstract int write(ByteBuffer src) throws IOException; |
| | |
| | public abstract long write(ByteBuffer[] srcs, int offset, int length) throws IOException; |
| | |
| | public final long write(ByteBuffer[] srcs) throws IOException { |
| | return write(srcs, 0, srcs.length); |
| | } |
5、设置 I/O 模式
SocketChannel 支持阻塞和非阻塞两种 I/O 模式调用 configureBlocking()方法即可
| | socketChannel.configureBlocking(false); |
false 表示非阻塞true 表示阻塞。
6、关闭
当使用完 SocketChannel 后需要将其关闭SocketChannel 提供了 close()来关闭 SocketChannel 。
| | socketChannel.close(); |
| | |
SocketChannel 源码分析
上面简单介绍了 SocketChannel 的使用下面我们再来详细分析 SocketChannel 的源码。SocketChannel 实现 Channel 接口它有一个核心子类 SocketChannel该类实现了 SocketChannel 的大部分功能。如下图有删减 创建 SocketChannel
上面提到通过调用 open()方法就可以一个 SocketChannel 实例。
| | public static SocketChannel open() throws IOException { |
| | return SelectorProvider.provider().openSocketChannel(); |
| | } |
我们看到它是通过 SelectorProvider 来创建 SocketChannel 的provider() 方法会创建一个 SelectorProvider 实例SelectorProvider 是 Selector 和 Channel 实例的提供者它提供了创建 Selector、SocketChannel、ServerSocketChannel 实例的方法采用 SPI 的方式实现。 SelectorProvider 我们在讲解 Selector 的时候在阐述。
provider 创建完成后调用 openSocketChannel() 来创建 SocketChannel。
| | public SocketChannel openSocketChannel() throws IOException { |
| | return new SocketChannelImpl(this); |
| | } |
从这了就可以看出 SocketChannelImpl 为 SocketChannel 的实现者。调用 SocketChannelImpl 的构造函数实例化一个 SocketChannel 对象。
| | SocketChannelImpl(SelectorProvider sp) throws IOException { |
| | super(sp); |
| | // 创建 Socket 并创建一个文件描述符与其关联 |
| | this.fd Net.socket(true); |
| | // 在注册 selector 的时候需要获取到文件描述符的值 |
| | this.fdVal IOUtil.fdVal(fd); |
| | // 设置状态为未连接 |
| | this.state ST\_UNCONNECTED; |
| | } |
fd文件夹描述符对象。
fdValfd 的 value。 文件描述符简称 fd它是一个抽象概念在 C 库编程中可以叫做文件流或文件流指针在其它语言中也可以叫做文件句柄handler而且这些不同名词的隐含意义可能是不完全相同的。不过在系统层我们统一把它叫做文件描述符。 state状态设置为未连接。它有如下 6 个值
| | private static final int ST\_UNINITIALIZED -1; |
| | private static final int ST\_UNCONNECTED 0; |
| | private static final int ST\_PENDING 1; |
| | private static final int ST\_CONNECTED 2; |
| | private static final int ST\_KILLPENDING 3; |
| | private static final int ST\_KILLED 4; |
连接服务器connect()
调用 Connect() 方法可以链接远程服务器。
| | public boolean connect(SocketAddress sa) throws IOException { |
| | int localPort 0; |
| | |
| | // 注意这里的加锁 |
| | synchronized (readLock) { |
| | synchronized (writeLock) { |
| | // 确保当前 SocketChannel 是打开且未连接的 |
| | ensureOpenAndUnconnected(); |
| | InetSocketAddress isa Net.checkAddress(sa); |
| | SecurityManager sm System.getSecurityManager(); |
| | if (sm ! null) |
| | sm.checkConnect(isa.getAddress().getHostAddress(), |
| | isa.getPort()); |
| | // 这里的锁是注册和阻塞配置的锁 |
| | synchronized (blockingLock()) { |
| | int n 0; |
| | try { |
| | try { |
| | // 支持线程中断通过设置当前线程的Interruptible blocker属性实现 |
| | begin(); |
| | // |
| | synchronized (stateLock) { |
| | // 默认为 open, 除非调用了 close() |
| | if (!isOpen()) { |
| | return false; |
| | } |
| | // 只有未绑定本地地址也就是说未调用bind方法才执行 |
| | if (localAddress null) { |
| | NetHooks.beforeTcpConnect(fd, |
| | isa.getAddress(), |
| | isa.getPort()); |
| | } |
| | // 记录当前线程 |
| | readerThread NativeThread.current(); |
| | } |
| | for (;;) { |
| | InetAddress ia isa.getAddress(); |
| | if (ia.isAnyLocalAddress()) |
| | ia InetAddress.getLocalHost(); |
| | // 调用 Linux 的 connect 函数实现 |
| | // 如果采用堵塞模式会一直等待直到成功或出现异常 |
| | n Net.connect(fd, |
| | ia, |
| | isa.getPort()); |
| | if ( (n IOStatus.INTERRUPTED) |
| | isOpen()) |
| | continue; |
| | break; |
| | } |
| | |
| | } finally { |
| | readerCleanup(); |
| | end((n 0) || (n IOStatus.UNAVAILABLE)); |
| | assert IOStatus.check(n); |
| | } |
| | } catch (IOException x) { |
| | // 出现异常关闭 Channel |
| | close(); |
| | throw x; |
| | } |
| | synchronized (stateLock) { |
| | remoteAddress isa; |
| | if (n 0) { |
| | // n 0,表示连接成功 |
| | // 连接成功更新状态为ST\_CONNECTED |
| | state ST\_CONNECTED; |
| | if (isOpen()) |
| | |
| | localAddress Net.localAddress(fd); |
| | return true; |
| | } |
| | // 如果是非堵塞模式而且未立即返回成功更新状态为ST\_PENDING |
| | // 由此可见该状态只有非堵塞时才会存在 |
| | if (!isBlocking()) |
| | state ST\_PENDING; |
| | else |
| | assert false; |
| | } |
| | } |
| | return false; |
| | } |
| | } |
| | } |
该方法的核心方法就在于 n Net.connect(fd,ia,isa.getPort()); 该方法会一直调用到 native 方法去
| | JNIEXPORT jint JNICALL |
| | Java\_sun\_nio\_ch\_Net\_connect0(JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean preferIPv6, |
| | jobject fdo, jobject iao, jint port) |
| | { |
| | SOCKADDR sa; |
| | int sa\_len SOCKADDR\_LEN; |
| | int rv; |
| | //地址转换为struct sockaddr格式 |
| | if (NET\_InetAddressToSockaddr(env, iao, port, (struct sockaddr *) sa, |
| | sa\_len, preferIPv6) ! 0) |
| | { |
| | return IOS\_THROWN; |
| | } |
| | //传入 fd 和 sockaddr,与远程服务器建立连接一般就是 TCP 三次握手 |
| | //如果设置了 configureBlocking(false), 不会堵塞否则会堵塞一直到超时或出现异常 |
| | rv connect(fdval(env, fdo), (struct sockaddr *)sa, sa\_len); |
| | if (rv ! 0) { |
| | // 0 表示连接成功失败时通过 errno 获取具体原因 |
| | if (errno EINPROGRESS) { //非堵塞连接还未建立(-2) |
| | return IOS\_UNAVAILABLE; |
| | } else if (errno EINTR) { //中断(-3) |
| | return IOS\_INTERRUPTED; |
| | } |
| | return handleSocketError(env, errno); //出错 |
| | } |
| | return 1; //连接建立,一般TCP连接连接都需要时间因此除非是本地网络一般情况下非堵塞模式返回IOS\_UNAVAILABLE比较多 |
| | } |
读数据read()
SocketChannel 提供 read() 方法读取数据。
| | public int read(ByteBuffer buf) throws IOException { |
| | synchronized (readLock) { |
| | // ... |
| | try { |
| | // ... |
| | for (;;) { |
| | n IOUtil.read(fd, buf, -1, nd); |
| | if ((n IOStatus.INTERRUPTED) isOpen()) { |
| | continue; |
| | } |
| | return IOStatus.normalize(n); |
| | } |
| | |
| | } finally { |
| | // ... |
| | } |
| | } |
| | } |
核心方法就在于 IOUtil.read(fd, buf, -1, nd)。
| | static int read(FileDescriptor fd, ByteBuffer dst, long position,NativeDispatcher nd) |
| | throws IOException |
| | { |
| | if (dst.isReadOnly()) |
| | throw new IllegalArgumentException(Read-only buffer); |
| | if (dst instanceof DirectBuffer) |
| | // 使用直接缓冲区读取数据 |
| | return readIntoNativeBuffer(fd, dst, position, nd); |
| | |
| | // 当不是使用直接内存时则从线程本地缓冲获取一块临时的直接缓冲区存放待读取的数据 |
| | ByteBuffer bb Util.getTemporaryDirectBuffer(dst.remaining()); |
| | try { |
| | int n readIntoNativeBuffer(fd, bb, position, nd); |
| | bb.flip(); |
| | if (n 0) |
| | // 将直接缓冲区的数据写入到堆缓冲区中 |
| | dst.put(bb); |
| | return n; |
| | } finally { |
| | // 使用完成后释放缓冲 |
| | Util.offerFirstTemporaryDirectBuffer(bb); |
| | } |
| | } |
这里我们看到如果 ByteBuffer 是 DirectBuffer则调用 readIntoNativeBuffer() 读取数据如果不是则通过 getTemporaryDirectBuffer() 获取一个临时的直接缓冲区然后调用 readIntoNativeBuffer()获取数据然后将获取的数据写入 ByteBuffer 中。
| | private static int readIntoNativeBuffer(FileDescriptor fd, ByteBuffer bb,long position, NativeDispatcher nd) |
| | throws IOException |
| | { |
| | int pos bb.position(); |
| | int lim bb.limit(); |
| | assert (pos lim); |
| | int rem (pos lim ? lim - pos : 0); |
| | |
| | if (rem 0) |
| | return 0; |
| | int n 0; |
| | if (position ! -1) { |
| | n nd.pread(fd, ((DirectBuffer)bb).address() pos,rem, position); |
| | } else { |
| | n nd.read(fd, ((DirectBuffer)bb).address() pos, rem); |
| | } |
| | if (n 0) |
| | bb.position(pos n); |
| | return n; |
| | } |
写数据 write()方法和 read()方法大致一样大明哥这里就不在阐述了有兴趣的小伙伴自己去研究下。
ServerSocketChannel 与 SocketChannel 原理大同小异这里就不展开讲述了下篇文章我们开始研究第三个组件 Selector
参考资料
https://zhuanlan.zhihu.com/p/180556309
