Java NIO类库Selector机制解析

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作者：赵锟　　 陈皓

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 );
            }
    }
}

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.<init>(Unknown Source)
        at sun.nio.ch.SelectorProviderImpl.openPipe(Unknown Source)
        at java.nio.channels.Pipe.open(Unknown Source)
        at sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl.<init>(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.<init>(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。



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。

八、  后记

文章到这里是可以结束了，但关于Java NIO的Selector引出来的其它话题还有许多，比如关于GNU 的Java编译器又是如何，它是否会像Sun的Java解释器如此做傻事？我在这里先卖一个关子，关于GNU的Java编译器，我会在另外一篇文章中讲述，近期发布，敬请期待。

关于本文中所使用的实验平台如下：
·        Windows：Windows XP + SP2, Sun J2SE (build 1.7.0-ea-b23)
·        Linux：Ubuntu 7.10 + Linux Kernel 2.6.22-14-generic, J2SE (build 1.6.0_03-b05)