NIO 源码分析(02-1) BIO 源码分析
NIO 源码分析(02-1) BIO 源码分析
Netty 系列目录(https://www.cnblogs.com/binarylei/p/10117436.html)
一、BIO 最简使用姿势
(1) JDK BIO 启动服务典型场景
// 1. 绑定端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
serverSocket.bind(new InetSocketAddress((InetAddress) null, PROT), BACKLOG);
while (true) {
// 2. 获取客户端请求的Socket,没有请求就阻塞
Socket socket = serverSocket.accept();
// 3. 开启一个线程执行客户端的任务
new Thread(new ServerHandler(socket)).start();
}
// 绑定端口,开启服务
public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
getImpl().listen(backlog);
}
ok,代码已经完成!!!下面我们和 Linux 下的网络编程进行对比。
(2) Linux BIO 启动服务典型场景
int listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr));
listen(listenfd, BACKLOG);
socklen_t cliaddr_len = sizeof(client_addr);
int clientfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cliaddr_len);
对比 Linux 上网络编程,我们会发现 JDK Socket 的编程逻辑是一模一样的。实时上也是这样,JDK 网络编程也没有做很多事,主要还是调用了 Linux 相关的函数。唯一的不同是 Linux 是面向过程程序,socket 函数返回的是一个句柄,bind 和 listen 都是对这个句柄的操作;而 JDK 是面向对象编程,new ServerSocket() 返回了一个对象,我们可以调用这个 serverSocket 对象的各种方法。
二、ServerSocket 源码分析
JDK 为我们提供了 ServerSocket 类作为服务端套接字的实现,通过它可以让主机监听某个端口而接收其他端的请求,处理完后还可以对请求端做出响应。它的内部真正实现是通过 SocketImpl 类来实现的,它提供了工厂模式,所以如果自己想要其他的实现也可以通过工厂模式来改变的。默认的实现类是 SocksSocketImpl,ServerSocket 和 Socket 只是一个门面模式。
2.1 相关类图
前面说到 ServerSocket 类真正的实现是通过 SocketImpl 类,于是可以看到它使用了 SocketImpl 类,但由于 windows 和 unix-like 系统有差异,而 windows 不同的版本也需要做不同的处理,所以两类系统的类不尽相同。
说明:
SocketImpl 类实现了 SocketOptions 接口,接着还派生出了一系列的子类,其中 AbstractPlainSocketImpl 是原始套接字的实现的一些抽象,而 PlainSocketImpl 类是一个代理类。
windows 下 PlainSocketImpl 代理 TwoStacksPlainSocketImpl 和 DualStackPlainSocketImpl 两种不同实现。存在两种实现的原因是一个用于处理 Windows Vista 以下的版本,另一个用于处理 Windows Vista 及以上的版本。
unix-like 不存在版本的问题,所以它直接由 PlainSocketImpl 类实现。
这两类操作系统都还存在一个 SocksSocketImpl 类,它其实主要是实现了防火墙安全会话转换协议,包括 SOCKS V4 和 V5 。
根据上面可以看到其实对于不同系统就是需要做差异处理,基本都是大同小异,下面涉及到套接字实现均以 Windows Vista 及以上的版本为例进行分析,即 DualStackPlainSocketImpl。
2.2 主要属性
private boolean created = false;
private boolean bound = false;
private boolean closed = false;
private Object closeLock = new Object();
private SocketImpl impl;
private boolean oldImpl = false;
- created 表示是否已经创建了 SocketImpl 对象,ServerSocket 需要依赖该对象实现套接字操作。
- bound 是否已绑定地址和端口。
- closed 是否已经关闭套接字。
- closeLock 关闭套接字时用的锁。
- impl 真正的套接字实现对象。
- oldImpl 是不是使用旧的实现。
下面我们看一下 ServerSocket 的主要方法。
2.3 构造函数
有五类构造函数,可以什么参数都不传,也可以传入 SocketImpl、端口、backlog 和地址等。主要看一下最后一个构造函数,setImpl 方法用于设置实现对象,然后检查端口大小是否正确,检查 backlog 小于 0 就让它等于 50,最后进行端口和地址绑定操作。
public ServerSocket() throws IOException {
setImpl();
}
总结: 在 new ServerSocket() 时会通过 setImpl 方法创建一个 SocketImpl 的实现类,以 window 下 DualStackPlainSocketImpl 为例。时序图如下:
2.3.1 setImpl 方法
设置套接字实现对象,这里提供了工厂模式可以方便的对接其他的实现,而默认是没有工厂对象的,所以模式的实现为 SocksSocketImpl 对象。
private void setImpl() {
if (factory != null) {
impl = factory.createSocketImpl();
checkOldImpl();
} else {
impl = new SocksSocketImpl();
}
if (impl != null)
impl.setServerSocket(this);
}
总结: 从上面的方法可以看出构造方法只是创建了 SocksSocketImpl 对象,这些都只是 JDK 层面的东西,并没直接创建网络连接,bind 方法则会直接创建网络连接。
2.4 bind 方法
该方法用于将套接字绑定到指定的地址和端口上,如果 SocketAddress 为空,即代表地址和端口都不指定,此时系统会将套接字绑定到所有有效的本地地址,且动态生成一个端口。逻辑如下:
// 绑定端口,开启服务
public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
// 省略...
if (endpoint == null)
endpoint = new InetSocketAddress(0);
if (backlog < 1)
backlog = 50;
getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
getImpl().listen(backlog);
}
总结: ServerSocket.bind 方法调用 impl.bind 和 impl.listen 创建网络连接,下面我们就重点分析这两个方法都做了些什么事。
注意: 地址是否为空,为空则创建一个 InetSocketAddress,默认是所有有效的本地地址,对应的为
0.0.0.0,而端口默认为0,由操作系统动态生成,backlog 如果小于 1 则设为 50。
2.4.1 socketCreate 方法
先看一下 createImpl 方法。
// ServerSocket
void createImpl() throws SocketException {
if (impl == null)
setImpl();
try {
impl.create(true);
created = true;
} catch (IOException e) {
throw new SocketException(e.getMessage());
}
}
总结: createImpl 将创建 socket 网络套接字的任务直接委任给了对应的 impl 实现类,在这里也就是 DualStackPlainSocketImpl。
// AbstractPlainSocketImpl
protected synchronized void create(boolean stream) throws IOException {
this.stream = stream;
if (!stream) { // UDP
ResourceManager.beforeUdpCreate();
// only create the fd after we know we will be able to create the socket
fd = new FileDescriptor();
try {
socketCreate(false);
} catch (IOException ioe) {
ResourceManager.afterUdpClose();
fd = null;
throw ioe;
}
} else { // TCP
fd = new FileDescriptor();
socketCreate(true);
}
if (socket != null)
socket.setCreated();
if (serverSocket != null)
serverSocket.setCreated();
}
总结: 在 AbstractPlainSocketImpl 抽象类中 create 方法对 UDP 和 TCP 协议分别做了处理,创建 socket 套接字的代码就一句 socketCreate(true)
,由具体的实现类完成。下面我们再看一下 DualStackPlainSocketImpl 是如何进行网络连接的。
// DualStackPlainSocketImpl
void socketCreate(boolean stream) throws IOException {
if (fd == null)
throw new SocketException("Socket closed");
int newfd = socket0(stream, false /*v6 Only*/);
fdAccess.set(fd, newfd);
}
总结: socket0 是一个 native 方法,也就是上面 Linux 的 Socket 函数完成的。然后将返回的 Socket 句柄设置到 fd 对象中(FileDescriptor 是 JDK 对句柄的抽象)。
补充1:socket0 在 JVM 中的实现
// windows/native/java/net/DualStackPlainSocketImpl.c
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_socket0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jboolean stream, jboolean v6Only /*unused*/) {
int fd, rv, opt=0;
// 最关键的一句代码,怎么样,是不是和 Linux 网络编程的 socket 函数一模一样的
fd = NET_Socket(AF_INET6, (stream ? SOCK_STREAM : SOCK_DGRAM), 0);
if (fd == INVALID_SOCKET) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
return -1;
}
rv = setsockopt(fd, IPPROTO_IPV6, IPV6_V6ONLY, (char *) &opt, sizeof(opt));
if (rv == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "create");
}
SetHandleInformation((HANDLE)(UINT_PTR)fd, HANDLE_FLAG_INHERIT, FALSE);
return fd;
}
2.4.2 socketBind 方法
// AbstractPlainSocketImpl
protected synchronized void bind(InetAddress address, int lport) throws IOException {
synchronized (fdLock) {
if (!closePending && (socket == null || !socket.isBound())) {
NetHooks.beforeTcpBind(fd, address, lport);
}
}
socketBind(address, lport); // 绑定端口
if (socket != null)
socket.setBound();
if (serverSocket != null)
serverSocket.setBound();
}
总结: 和 create 方法一样 AbstractPlainSocketImpl 也把绑定端口 socketBind 交给子类 DualStackPlainSocketImpl 实现。
// DualStackPlainSocketImpl
void socketBind(InetAddress address, int port) throws IOException {
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
if (address == null)
throw new NullPointerException("inet address argument is null.");
bind0(nativefd, address, port, exclusiveBind);
if (port == 0) {
localport = localPort0(nativefd);
} else {
localport = port;
}
this.address = address;
}
总结: bind0 也是一个 native 方法,下面看一下 Winidow 上的实现。
补充2:bind0 在 JVM 中的实现
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_bind0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobject iaObj, jint port,
jboolean exclBind) {
SOCKETADDRESS sa;
int rv;
int sa_len = sizeof(sa);
if (NET_InetAddressToSockaddr(env, iaObj, port, (struct sockaddr *)&sa,
&sa_len, JNI_TRUE) != 0) {
return;
}
// 最关键的一句代码,绑定端口
rv = NET_WinBind(fd, (struct sockaddr *)&sa, sa_len, exclBind);
if (rv == SOCKET_ERROR)
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "JVM_Bind");
}
2.4.3 socketListen 方法
// DualStackPlainSocketImpl
void socketListen(int backlog) throws IOException {
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
listen0(nativefd, backlog);
}
补充3:listen0 在 JVM 中的实现
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_listen0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint backlog) {
// 关键的一句代码 listen 启动服务
if (listen(fd, backlog) == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "listen failed");
}
}
2.5 accept 方法
该方法用于接收套接字连接,套接字开启监听后会阻塞等待套接字连接,一旦有连接可接收了则通过该方法进行接收操作。
2.5.1 ServerSocket.accept
public Socket accept() throws IOException {
if (isClosed())
throw new SocketException("Socket is closed");
if (!isBound())
throw new SocketException("Socket is not bound yet");
Socket s = new Socket((SocketImpl) null);
implAccept(s);
return s;
}
总结: accept 做了三件事:一是判断套接字是否已经关闭。 二是判断套接字是否已经绑定。三是创建 Socket 对象,并调用 implAccept 接收连接。
2.5.2 ServerSocket.implAccept
protected final void implAccept(Socket s) throws IOException {
// 1. 创建一个空的 Socket 对象,用于接收 Socket 连接
SocketImpl si = null;
try {
if (s.impl == null)
s.setImpl();
else {
s.impl.reset();
}
si = s.impl;
s.impl = null;
si.address = new InetAddress();
si.fd = new FileDescriptor();
// 2. 最关键的一步,接收请求
getImpl().accept(si);
SecurityManager security = System.getSecurityManager();
if (security != null) {
security.checkAccept(si.getInetAddress().getHostAddress(),
si.getPort());
}
} catch (IOException e) {
if (si != null)
si.reset();
s.impl = si;
throw e;
} catch (SecurityException e) {
if (si != null)
si.reset();
s.impl = si;
throw e;
}
// 3. 调用 Socket.postAccept 通知连接已经完成
s.impl = si;
s.postAccept();
}
总结: ServerSocket.implAccept 调用逻辑如下:
传入的 Socket 对象里面的套接字实现如果为空,则通过 setImpl 方法设置套接字实现,如果非空就执行 reset 操作。
调用套接字实现对象的 accept 方法完成接收操作,做这一步是因为我们的 Socket 对象里面的 SocketImpl 对象还差操作系统底层的套接字对应的文件描述符。
得到完整的 SocketImpl 对象,赋值给 Socket 对象,并且调用 postAccept 方法将 Socket 对象设置为已创建、已连接、已绑定。
2.5.3 AbstractPlainSocketImpl.accept
// AbstractPlainSocketImpl
protected void accept(SocketImpl s) throws IOException {
acquireFD(); // fdUseCount++
try {
socketAccept(s);// 接收请求
} finally {
releaseFD(); // fdUseCount--
}
}
总结: accept 直接委托给 socketAccept 方法。
2.5.4 DualStackPlainSocketImpl.socketAccept
void socketAccept(SocketImpl s) throws IOException {
// 1. 获取操作系统的文件描述符。
int nativefd = checkAndReturnNativeFD();
if (s == null)
throw new NullPointerException("socket is null");
int newfd = -1;
InetSocketAddress[] isaa = new InetSocketAddress[1];
// 2. timeout <= 0 则表示阻塞式接收连接
if (timeout <= 0) {
newfd = accept0(nativefd, isaa);
// 3. 如果 timeout 大于0,即设置了超时,那么会先非阻塞式接收连接
} else {
// 3.1 serverSocket 设置成非阻塞模式
configureBlocking(nativefd, false);
try {
// 3.2 本地方法,阻塞 timeout 时长用于获取新的 socket
waitForNewConnection(nativefd, timeout);
// 3.3 因为现在是非阻塞的,不管有没有连接都会马上返回
newfd = accept0(nativefd, isaa);
if (newfd != -1) {
// 3.4 新建立的 Socket 设置为阻塞模式
configureBlocking(newfd, true);
}
} finally {
// 3.5 serverSocket 恢复为阻塞模式
configureBlocking(nativefd, true);
}
}
// 4. 将获取到的新文件描述符赋给 SocketImpl 对象,
// 同时也将远程端口、远程地址、本地端口等都赋给它相关变量。
fdAccess.set(s.fd, newfd);
InetSocketAddress isa = isaa[0];
s.port = isa.getPort();
s.address = isa.getAddress();
s.localport = localport;
}
总结: socketAccept 调用本地方法 accept0 接收连接。具体逻辑如下:
- 获取操作系统的文件描述符。
- SocketImpl 对象为空则抛出 NullPointerException("socket is null")。
- 如果 timeout 小于等于 0 则直接调用本地 accept0 方法,一直阻塞。
- 反之,如果 timeout 大于0,即设置了超时,那么会先调用 configureBlocking 本地方法,该方法用于将指定套接字设置为非阻塞模式。接着调用waitForNewConnection 本地方法,如果在超时时间内能获取到新的套接字,则调用 accept0 方法获取新套接字的句柄,获取成功后再次调用 configureBlocking 本地方法将新套接字设置为阻塞模式。最后,如果非阻塞模式失败了,则将原来的套接字设置会紫塞模式,这里使用了 finally,所以能保证就算发生异常也能被执行。
- 最后将获取到的新文件描述符赋给 SocketImpl 对象,同时也将远程端口、远程地址、本地端口等都赋给它相关变量。
补充4:configureBlocking 在 JVM 中的实现
本地方法逻辑很简单,如下,核心就是通过调用 Winsock 库的 ioctlsocket 函数来设置套接字为阻塞还是非阻塞,根据 blocking 标识。
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_configureBlocking
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jboolean blocking) {
u_long arg;
int result;
if (blocking == JNI_TRUE) {
arg = SET_BLOCKING; // 0
} else {
arg = SET_NONBLOCKING; // 1
}
result = ioctlsocket(fd, FIONBIO, &arg);
if (result == SOCKET_ERROR) {
NET_ThrowNew(env, WSAGetLastError(), "configureBlocking");
}
}
补充5:waitForNewConnection 在 JVM 中的实现
通过 Winsock 库的 select 函数来实现超时的功能,它会等待 timeout 时间看指定的文件描述符是否有活动,超时了的话则会返回 0,此时向 Java 层抛出 SocketTimeoutException 异常。而如果返回了 -1 则表示套接字已经关闭了,抛出 SocketException 异常。如果返回-2则抛出 InterruptedIOException。
JNIEXPORT void JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_waitForConnect
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jint timeout) {
int rv, retry;
int optlen = sizeof(rv);
fd_set wr, ex;
struct timeval t;
FD_ZERO(&wr);
FD_ZERO(&ex);
FD_SET(fd, &wr);
FD_SET(fd, &ex);
t.tv_sec = timeout / 1000;
t.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
rv = select(fd+1, 0, &wr, &ex, &t);
if (rv == 0) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketTimeoutException",
"connect timed out");
shutdown( fd, SD_BOTH );
return;
}
if (!FD_ISSET(fd, &ex)) {
return; /* connection established */
}
for (retry=0; retry<3; retry++) {
NET_GetSockOpt(fd, SOL_SOCKET, SO_ERROR,
(char*)&rv, &optlen);
if (rv) {
break;
}
Sleep(0);
}
if (rv == 0) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
"Unable to establish connection");
} else {
NET_ThrowNew(env, rv, "connect");
}
}
补充6:accept0 在 JVM 中的实现
JNIEXPORT jint JNICALL Java_java_net_DualStackPlainSocketImpl_accept0
(JNIEnv *env, jclass clazz, jint fd, jobjectArray isaa) {
int newfd, port=0;
jobject isa;
jobject ia;
SOCKETADDRESS sa;
int len = sizeof(sa);
memset((char *)&sa, 0, len);
newfd = accept(fd, (struct sockaddr *)&sa, &len);
if (newfd == INVALID_SOCKET) {
if (WSAGetLastError() == -2) {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVAIOPKG "InterruptedIOException",
"operation interrupted");
} else {
JNU_ThrowByName(env, JNU_JAVANETPKG "SocketException",
"socket closed");
}
return -1;
}
ia = NET_SockaddrToInetAddress(env, (struct sockaddr *)&sa, &port);
isa = (*env)->NewObject(env, isa_class, isa_ctorID, ia, port);
(*env)->SetObjectArrayElement(env, isaa, 0, isa);
return newfd;
}
总结: 本地方法 accept0 实现逻辑:
- 通过 C 语言的 memset 函数将 SOCKETADDRESS 联合体对应的结构体内的值设置为 0。
- 通过 Winsock 库的 accept 函数获取套接字地址。
- 判断接收的套接字描述符是否无效,分别可能抛 InterruptedIOException 或 SocketException 异常。
- 通过 SetHandleInformation 函数设置句柄的继承标志。
- NET_SockaddrToInetAddress 函数用于将得到的套接字转换成 Java 层的 InetAddress 对象。
- 将生成的 InetAddress 对象用于生成 Java 层的 InetSocketAddress 对象。
- 赋值给 Java 层的 InetSocketAddress 数组对象。
- 返回新接收的套接字的文件描述符。
2.6 总结
可以看到 ServerSocket 的核心方法都是 native 方法,是由 JVM 调用 linux 的内核函数完成的。想要对 Socket 网络编程有更详细的了解就必须进一步了解 Linux 网络编程。
参考:
每天用心记录一点点。内容也许不重要,但习惯很重要!
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