Java NIO 的 wakeup 剖析

java NIO的实现中，有不少细节点非常有学习意义的，就好比下面的这个点：
Selector的 wakeup原理是什么？是如何实现的？

wakeup()

准确来说，应该是Selector的wakeup()，即Selector的唤醒，为什么要有这个唤醒操作呢？那还得从Selector的选择方式 来说明，前文已经总结过Selector的选择方式有三种：select()、select(timeout)、selectNow()。
selectNow的选择过程是非阻塞的，与wakeup没有太大关系。
select(timeout)和select()的选择过程是阻塞的，其他线程如果想终止这个过程，就可以调用wakeup来唤醒。

wakeup的原理

既然Selector阻塞式选择因为找到感兴趣事件ready才会返回(排除超时、中断)，就给它构造一个感兴趣事件ready的场景即可。下图可以比较形象的形容wakeup原理：

Selector管辖的FD(文件描述符，linux即为fd，对应一个文件，windows下对应一个句柄；每个可选择Channel在创建的时 候，就生成了与其对应的FD，Channel与FD的联系见另一篇)中包含某一个FD A， A对数据可读事件感兴趣，当往图中漏斗端放入(写入)数据，数据会流进A，于是A有感兴趣事件ready，最终，select得到结果而返回。

wakeup在Selector中的定义如下：
public abstract Selector wakeup();

下面结合上图来追寻wakeup的实现：
linux下Selector默认实现为PollSelectorImpl，当内核版本大于2.6时，实现为EPollSelectorImpl，仅看这两者的wakeup方法，代码似乎完全一样：

 

 

public Selector wakeup() {
    synchronized (interruptLock) {
        if (!interruptTriggered) {
            pollWrapper.interrupt();
            interruptTriggered = true;
        }
    }
    return this;
}

 

window下Selector的实现为WindowsSelectorImpl，其wakeup实现如下：

 

public Selector wakeup() {
    synchronized (interruptLock) {
        if (!interruptTriggered) {
            setWakeupSocket();
            interruptTriggered = true;
        }
    }
    return this;
}

 

其中interruptTriggered为中断已触发标志，当pollWrapper.interrupt()之后，该标志即为true了；得益于这个标志，连续两次wakeup，只会有一次效果。

 

对比上图及上述代码，其实pollWrapper.interrupt()及setWakeupSocket()就是图中的往漏斗中倒水的过程，不 管windows也好，linux也好，它们wakeup的思想是完全一致的，不同的地方就在于实现的细节了，例如上图中漏斗与通道的链接部 分，linux下是采用管道pipe来实现的，而windows下是采用两个socket之间的通讯来实现的，它们都有这样的特性：1）都有两个端，一个 是read端，一个是write端，windows中两个socket也是一个扮演read的角色，一个扮演write的角色；2）当往write端写入 数据，则read端即可以收到数据;从它们的特性可以看出，它们是能够胜任这份工作的。

 

如果只想理解wakeup的原理，看到这里应该差不多了，不过，下面，想继续深入一下，满足更多人的好奇心。
先看看linux下PollSelector的具体wakeup实现，分阶段来介绍：

 

1） 准备阶段

PollSelector在构造的时候，就将管道pipe，及wakeup专用FD给准备好，可以看一下它的实现：

 

PollSelectorImpl(SelectorProvider sp) {
    super(sp, 1, 1);
    int[] fdes = new int[2];
    IOUtil.initPipe(fdes, false);
    fd0 = fdes[0];
    fd1 = fdes[1];
    pollWrapper = new PollArrayWrapper(INIT_CAP);
    pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1);
    channelArray = new SelectionKeyImpl[INIT_CAP];
}

 

 

IOUtil.initPipe，采用系统调用pipe(int fd[2])来创建管道，fd[0]即为ready端，fd[1]即为write端。
另一个需要关注的点就是pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1)，先看一下它的实现：

 

void initInterrupt(int fd0, int fd1) {
    interruptFD = fd1;
    putDescriptor(0, fd0);
    putEventOps(0, POLLIN);
    putReventOps(0, 0);
}

 

以看到，initInterrupt在准备wakeup专用FD，因为fd0是read端fd，fd1是write端fd：
interruptFD被初始化为write端fd；
putDescriptor(0, fd0)初始化pollfd数组中的第一个pollfd,即指PollSelector关注的第一个fd，即为fd0；
putEventOps(0, POLLIN)初始化fd0对应pollfd中的events为POLLIN,即指fd0对可读事件感兴趣；
putReventOps(0, 0)只是初始化一下fd0对应的pollfd中的revents;

2） 执行阶段

有了前面的准备工作，就看PollArrayWrapper中的interrupt()实现：

 

public void interrupt() {
    interrupt(interruptFD);
}

 

interrupt是native方法，它的入参interruptFD即为准备阶段管道的write端fd，对应于上图，其实就是漏斗端，因此，就是不看其实现，也知道它肯定扮演着倒水的这个动作，看其实现：

 

JNIEXPORT void JNICALL
Java_sun_nio_ch_PollArrayWrapper_interrupt(JNIEnv *env, jobject this, jint fd)
{
    int fakebuf[1];
    fakebuf[0] = 1;
    if (write(fd, fakebuf, 1) < 0) {
         JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env,
                                          "Write to interrupt fd failed");
    }
}

 

可以看出，interrupt(interruptFD)是往管道的write端fd1中写入一个字节(write(fd, fakebuf, 1))。
是的，只需要往fd1中写入一个字节，fd0即满足了可读事件ready，则Selector自然会因为有事件ready而中止阻塞返回。

EPollSelector与PollSelector相比，其wakeup实现就只有initInterrupt不同，它的实现如下：

 

void initInterrupt(int fd0, int fd1) {
    outgoingInterruptFD = fd1;
    incomingInterruptFD = fd0;
    epollCtl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd0, EPOLLIN);
}

 

epfd之前的篇章里已经讲过，它是通过epoll_create创建出来的epoll文件fd，epollCtl调用内核epoll_ctl实现了往epfd上添加fd0，且其感兴趣事件为可读(EPOLLIN)。
因此可以断定，EPollSelector与PollSelector的wakeup实现是一致的。

因为之前一直专注与分析linux下的Java NIO实现，忽略了windows下的选择过程等，这里突然讲解其wakeup实现似乎很突兀，所以打算后面专门起一篇来介绍windows下的NIO实 现，这里我们只需要理解wakeup原理，甚至自己去看看其wakeup实现，应该也没什么难度。

 

关于wakeup，这里还有两个疑问：
为什么wakeup方法返回Selector？
windows下也是有pipe的，为什么使用socket而不是使用pipe来实现wakeup的？

 

也欢迎大家留下自己的想法，一起讨论。

 

ps. 本文为作者原创（java nio 教程 ）
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