Java NIO类库Selector机制解析（Too many open files 和 No buffer space available）

一、 前言
　　自从 J2SE 1.4 版本以来， JDK 发布了全新的 I/O 类库，简称 NIO ，其不但引入了全新的高效的 I/O 机制，同时，也引入了多路复用的异步模式。 NIO 的包中主要包含了这样几种抽象数据类型：
　　Buffer ：包含数据且用于读写的线形表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的 I/O 操作。
　　Charset ：它提供 Unicode 字符串影射到字节序列以及逆映射的操作。
　　Channels ：包含 socket ， file 和 pipe 三种管道，都是全双工的通道。
　　Selector ：多个异步 I/O 操作集中到一个或多个线程中（可以被看成是 Unix 中 select() 函数的面向对象版本）。
　　我的大学同学赵锟在使用 NIO 类库书写相关网络程序的时候，发现了一些 Java 异常 RuntimeException ，异常的报错信息让他开始了对 NIO 的 Selector 进行了一些调查。当赵锟对我共享了 Selector 的一些底层机制的猜想和调查时候，我们觉得这是一件很有意思的事情，于是在伙同赵锟进行过一系列的调查后，我俩发现了很多有趣的事情，于是导致了这篇文章的产生。这也是为什么本文的作者署名为我们两人的原因。
　　先要说明的一点是，赵锟和我本质上都是出身于 Unix/Linux/C/C++ 的开发人员，对于 Java ，这并不是我们的长处，这篇文章本质上出于对 Java 的 Selector 的好奇，因为从表面上来看 Selector 似乎做到了一些让我们这些 C/C++ 出身的人比较惊奇的事情。
　　下面让我来为你讲述一下这段故事。
　　二、 故事开始 : 让 C++程序员写 Java程序 !
　　没有严重内存问题，大量丰富的 SDK 类库，超容易的跨平台，除了在性能上有些微辞， C++ 出身的程序员从来都不会觉得 Java 是一件很困难的事情。当然，对于长期习惯于使用操作系统 API （系统调用 System Call ）的 C/C++ 程序来说，面对 Java 中的比较“另类”地操作系统资源的方法可能会略感困惑，但万变不离其宗，只需要对面向对象的设计模式有一定的了解，用不了多长时间， Java 的 SDK 类库也能玩得随心所欲。
　　在使用 Java 进行相关网络程序的的设计时，出身 C/C++ 的人，首先想到的框架就是多路复用，想到多路复用， Unix/Linux 下马上就能让从想到 select, poll, epoll 系统调用。于是，在看到 Java 的 NIO 中的 Selector 类时必然会倍感亲切。稍加查阅一下 SDK 手册以及相关例程，不一会儿，一个多路复用的框架便呈现出来，随手做个单元测试，没啥问题，一切和 C/C++ 照旧。然后告诉兄弟们，框架搞定，以后咱们就在 Windows 上开发及单元测试，完成后到运行环境 Unix 上集成测试。心中并暗自念到，跨平台就好啊，开发活动都可以跨平台了。
　　然而，好景不长，随着代码越来越多，逻辑越来越复杂。好好的框架居然在 Windows 上单元测试运行开始出现异常，看着 Java 运行异常出错的函数栈，异常居然由 Selector.open() 抛出，错误信息居然是 Unable to establish loopback connection 。
　　“Selector.open() 居然报 loopback connection 错误，凭什么？不应该啊？ open 的时候又没有什么 loopback 的 socket 连接，怎么会报这个错？ ”
　　长期使用 C/C++ 的程序当然会对操作系统的调用非常熟悉，虽然 Java 的虚拟机搞的什么系统调用都不见了，但 C/C++ 的程序员必然要比 Java 程序敏感许多。
　　三、 开始调查 : 怎么 Java这么“傻” !
　　于是， C/C++ 的老鸟从 SystemInternals 上下载 Process Explorer 来查看一下究竟是什么个 Loopback Connection 。 果然，打开 java 运行进程，发现有一些自己连接自己的 localhost 的 TCP/IP 链接。于是另一个问题又出现了，
　　“ 凭什么啊？为什么会有自己和自己的连接？我程序里没有自己连接自己啊，怎么可能会有这样的链接啊？而自己连接自己的端口号居然是些奇怪的端口。 ”
　　问题变得越来越蹊跷了。难道这都是 Selector.open() 在做怪？难道 Selector.open() 要创建一个自己连接自己的链接？写个程序看看：

　　import java.nio.channels.Selector;
　　import java.lang.RuntimeException;
　　import java.lang.Thread;
　　public class TestSelector {
　　private static final int MAXSIZE= 5 ;
　　public static final void main( String argc[] ) {
　　Selector [] sels = new Selector[ MAXSIZE];
　　try {
　　for ( int i = 0 ;i< MAXSIZE ;++i ) {
　　sels[i] = Selector.open();
　　//sels[i].close();
　　}
　　Thread.sleep( 30000 );
　　} catch ( Exception ex ){
　　throw new RuntimeException( ex );
　　}
　　}
　　}

#p# #e#

　　这个程序什么也没有，就是做 5 次 Selector.open() ，然后休息 30 秒，以便我使用 Process Explorer 工具来查看进程。程序编译没有问题，运行起来，在 Process Explorer 中看到下面的对话框：（居然有 10 个连接，从连接端口我们可以知道，互相连接， 如：第一个连第二个，第二个又连第一个 ）



　　不由得赞叹我们的 Java 啊，先不说这是不是一件愚蠢的事。至少可以肯定的是， Java 在消耗宝贵的系统资源方面，已经可以赶的上某些蠕虫病毒了。
　　如果不信，不妨把上面程序中的那个 MAXSIZE 的值改成 65535 试试，不一会你就会发现你的程序有这样的错误了：（在我的 XP 机器上大约运行到 2000 个 Selector.open() 左右）

　　Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: java.io.IOException: Unable to establish loopback connection
　　at Test.main(Test.java:18)
　　Caused by: java.io.IOException: Unable to establish loopback connection
　　at sun.nio.ch.PipeImpl$Initializer.run(Unknown Source)
　　at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
　　at sun.nio.ch.PipeImpl.
(Unknown Source)
　　at sun.nio.ch.SelectorProviderImpl.openPipe(Unknown Source)
　　at java.nio.channels.Pipe.open(Unknown Source)
　　at sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl.(Unknown Source)
　　at sun.nio.ch.WindowsSelectorProvider.openSelector(Unknown Source)
　　at java.nio.channels.Selector.open(Unknown Source)
　　at Test.main(Test.java:15)
　　Caused by: java.net.SocketException: No buffer space available (maximum connections reached?): connect
　　at sun.nio.ch.Net.connect(Native Method)
　　at sun.nio.ch.SocketChannelImpl.connect(Unknown Source)
　　at java.nio.channels.SocketChannel.open(Unknown Source)
　　... 9 more

　　四、 继续调查 : 如此跨平台
　　当然，没人像我们这么变态写出那么多的 Selector.open() ，但这正好可以让我们来明白 Java 背着大家在干什么事。上面的那些“愚蠢连接”是在 Windows 平台上，如果不出意外， Unix/Linux 下应该也差不多吧。
　　于是我们把上面的程序放在 Linux 下跑了跑。使用 netstat 命令，并没有看到自己和自己的 Socket 连接。貌似在 Linux 上使用了和 Windows 不一样的机制？！
　　如果在 Linux 上不建自己和自己的 TCP 连接的话，那么文件描述符和端口都会被省下来了，是不是也就是说我们调用 65535 个 Selector.open() 的话，应该不会出现异常了。
　　可惜，在实现运行过程序当中，还是一样报错：（大约在 400 个 Selector.open() 左右，还不如 Windows ）

　　Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: java.io.IOException: Too many open files
　　at Test1.main(Test1.java:19)
　　Caused by: java.io.IOException: Too many open files
　　at sun.nio.ch.IOUtil.initPipe(Native Method)
　　at sun.nio.ch.EPollSelectorImpl.(EPollSelectorImpl.java:49)
　　at sun.nio.ch.EPollSelectorProvider.openSelector(EPollSelectorProvider.java:18)
　　at java.nio.channels.Selector.open(Selector.java:209)
　　at Test1.main(Test1.java:15)

　　我们发现，这个异常错误是 “Too many open files” ，于是我想到了使用 lsof 命令来查看一下打开的文件。
　　看到了有一些 pipe 文件，一共 5 对， 10 个（当然，管道从来都是成对的）。如下图所示。





#p# #e#
　　可见， Selector.open() 在 Linux 下不用 TCP 连接，而是用 pipe 管道。看来，这个 pipe 管道也是自己给自己的。所以，我们可以得出下面的结论：
　　1） Windows 下， Selector.open() 会自己和自己建立两条 TCP 链接。不但消耗了两个 TCP 连接和端口，同时也消耗了文件描述符。
　　2） Linux 下， Selector.open() 会自己和自己建两条管道。同样消耗了两个系统的文件描述符。
　　估计，在 Windows 下， Sun 的 JVM 之所以选择 TCP 连接，而不是 Pipe ，要么是因为性能的问题，要么是因为资源的问题。可能， Windows 下的管道的性能要慢于 TCP 链接，也有可能是 Windows 下的管道所消耗的资源会比 TCP 链接多。这些实现的细节还有待于更为深层次的挖掘。
　　但我们至少可以了解，原来 Java 的 Selector 在不同平台上的机制。
　　五、 迷惑不解 : 为什么要自己消耗资源？
　　令人不解的是为什么我们的 Java 的 New I/O 要设计成这个样子？如果说老的 I/O 不能多路复用，如下图所示，要开 N 多的线程去挨个侦听每一个 Channel ( 文件描述符 ) ，如果这样做很费资源，且效率不高的话。那为什么在新的 I/O 机制依然需要自己连接自己，而且，还是重复连接，消耗双倍的资源？
　　通过 WEB 搜索引擎没有找到为什么。只看到 N 多的人在报 BUG ，但 SUN 却没有任何解释。
　　下面一个图展示了，老的 IO 和新 IO 的在网络编程方面的差别。看起来 NIO 的确很好很强大。但似乎比起 C/C++ 来说， Java 的这种实现会有一些不必要的开销。



　　六、 它山之石 : 从 Apache的 Mina框架了解 Selector
　　上面的调查没过多长时间，正好同学赵锟的一个同事也在开发网络程序，这位仁兄使用了 Apache 的 Mina 框架。当我们把 Mina 框架的源码研读了一下后。发现在 Mina 中有这么一个机制：
　　1） Mina 框架会创建一个 Work 对象的线程。
　　2） Work 对象的线程的 run() 方法会从一个队列中拿出一堆 Channel ，然后使用 Selector.select() 方法来侦听是否有数据可以读 / 写。
　　3） 最关键的是，在 select 的时候，如果队列有新的 Channel 加入，那么， Selector.select() 会被唤醒，然后重新 select 最新的 Channel 集合。
　　4） 要唤醒 select 方法，只需要调用 Selector 的 wakeup() 方法。
　　对于熟悉于系统调用的 C/C++ 程序员来说，一个阻塞在 select 上的线程有以下三种方式可以被唤醒：
　　1） 有数据可读 / 写，或出现异常。
　　2） 阻塞时间到，即 time out 。
　　3） 收到一个 non-block 的信号。可由 kill 或 pthread_kill 发出。
　　所以，Selector.wakeup()要唤醒阻塞的select，那么也只能通过这三种方法，其中：
　　1）第二种方法可以排除，因为select一旦阻塞，应无法修改其time out时间。
　　2）而第三种看来只能在Linux上实现，Windows上没有这种信号通知的机制。
　　所以，看来只有第一种方法了。再回想到为什么每个Selector.open()，在Windows会建立一对自己和自己的loopback的TCP连接；在Linux上会开一对pipe（pipe在Linux下一般都是成对打开），估计我们能够猜得出来——那就是如果想要唤醒select，只需要朝着自己的这个loopback连接发点数据过去，于是，就可以唤醒阻塞在select上的线程了。
七、 真相大白 : 可爱的Java你太不容易了
　　使用Linux下的strace命令，我们可以方便地证明这一点。参看下图。图中，请注意下面几点：
　　1） 26654是主线程，之前我输出notify the select字符串是为了做一个标记，而不至于迷失在大量的strace log中。
　　2） 26662是侦听线程，也就是select阻塞的线程。
　　3） 图中选中的两行。26654的write正是wakeup()方法的系统调用，而紧接着的就是26662的epoll_wait的返回。
　　从上图可见，这和我们之前的猜想正好一样。可见，JDK的Selector自己和自己建的那些TCP连接或是pipe，正是用来实现Selector的notify和wakeup的功能的。
　　这两个方法完全是来模仿Linux中的的kill和pthread_kill给阻塞在select上的线程发信号的。但因为发信号这个东西并不是一个跨平台的标准（pthread_kill这个系统调用也不是所有Unix/Linux都支持的），而pipe是所有的Unix/Linux所支持的，但Windows又不支持，所以，Windows用了TCP连接来实现这个事。
　　关于Windows，我一直在想，Windows的防火墙的设置是不是会让Java的类似的程序执行异常呢？呵呵。如果不知道Java的SDK有这样的机制，谁知道会有多少个程序为此引起的问题度过多少个不眠之夜，尤其是Java程序员。

来源网络

评论

1 楼 alajl 2016-02-20  

写的好，分析过程也能详尽，对于我碰到的问题，很有建设性的帮助