Tars框架使用NIO进行网络编程的源码分析

一、Tars框架基本介绍

Tars是腾讯开源的支持多语言的高性能RPC框架，起源于腾讯内部2008年至今一直使用的统一应用框架TAF（Total Application Framework），目前支持C++、Java、PHP、Nodejs、Go语言。

该框架为用户提供了涉及到开发、运维、以及测试的一整套解决方案，帮助一个产品或者服务快速开发、部署、测试、上线。它集可扩展协议编解码、高性能RPC通信框架、名字路由与发现、发布监控、日志统计、配置管理等于一体，通过它可以快速用微服务的方式构建自己的稳定可靠的分布式应用，并实现完整有效的服务治理。

vivo推送平台也深度使用了该框架，部署服务节点超过一千个，经过线上每日一百多亿消息推送量的考验。

Tars-java 最新稳定版1.7.2以及之前的版本都使用Java NIO进行网络编程；本文将分别详细介绍java NIO的原理和Tars 使用NIO进行网络编程的细节。

二、Java NIO原理介绍

从1.4版本开始，Java提供了一种新的IO处理方式：NIO (New IO 或 Non-blocking IO)是一个可以替代标准Java IO 的API，它是面向缓冲区而不是字节流，它是非阻塞的，支持IO多路复用。

2.1 Channels (通道) and Buffers (缓冲区)

标准的IO基于字节流进行操作的，而NIO是基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作。数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中，下图是一个完整流程。

Channel类型：

支持文件读写数据的FileChannel

能通过UDP读写网络中的数据的DatagramChannel

能通过TCP读写网络数据的SocketChannel

可以监听新进来的TCP连接，对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel的ServerSocketChannel 。

SocketChannel：

打开 SocketChannel：SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

关闭 SocketChannel：socketChannel.close();

从Channel中读取的数据放到Buffer：int bytesRead = inChannel.read(buf);

将Buffer中的数据写到Channel：int bytesWritten = inChannel.write(buf);

ServerSocketChannel：

通过 ServerSocketChannel.accept()方法监听新进来的连接，当accept()方法返回的时候，它返回一个包含新进来的连接的SocketChannel，因此accept()方法会一直阻塞到有新连接到达。

通常不会仅仅只监听一个连接,在while循环中调用 accept()方法. 如下面的例子：

代码1：

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
     //do something with socketChannel...
}

ServerSocketChannel可以设置成非阻塞模式。在非阻塞模式下，accept() 方法会立刻返回，如果还没有新进来的连接,返回的将是null。因此，需要检查返回的SocketChannel是否是null。

代码2：

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    if(socketChannel != null){
        //do something with socketChannel...
    }
}

Buffer类型：

ByteBuffer

CharBuffer

DoubleBuffer

FloatBuffer

IntBuffer

LongBuffer

ShortBuffer

Buffer的分配：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(2048);

Buffer的读写：

一般是以下四个步骤：

写入数据到Buffer，最大写入量是capacity，写模式下limit值即为capacity值，position即为写到的位置。

调用flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式，此时position移动到开始位置0，limit移动到position的位置。

从Buffer中读取数据，在读模式下可以读取之前写入到buffer的所有数据，即为limit位置。

调用clear()方法或者compact()方法。clear()方法将position设为0，limit被设置成capacity的值。compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处，然后将position设到最后一个未读元素后面。

mark()与reset()方法

通过调用Buffer.mark()方法，可以标记Buffer中的一个特定position，之后可以通过调用Buffer.reset()方法恢复到这个position。

duplicate()

此方法返回承载先前字节缓冲区内容的新字节缓冲区。

remaining()
limit减去position的值

2.2 Selector（选择器）

Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件。单个的线程可以监听多个数据通道。要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件。

线程使用一个selector处理多个channel

代码3：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector,Selectionkey.OP_READ);

注意register()方法的第二个参数，这是一个监听的集合，即在通过Selector监听Channel时关注什么事件集合。

SelectionKey包含：

1) interest集合：selectionKey.interestOps()可以监听四种不同类型的事件：OP_ACCEPT、OP_CONNECT、OP_WRITE、OP_READ

2) ready集合：selectionKey.readyOps(); ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合，提供4个方便的方法：

selectionKey.isAcceptable();

selectionKey.isConnectable();

selectionKey.isReadable();

selectionKey.isWritable();

3) Channel：selectionKey.channel();

4) Selector：selectionKey.selector();

5)可选的附加对象：

selectionKey.attachment();可以将一个对象或者更多信息附着到SelectionKey上，这样就能方便的识别特定的通道。

提示：

OP_ACCEPT和OP_CONNECT的区别：简单来说，客户端建立连接是connect，服务器准备接收连接是accept。一个典型的客户端服务器网络交互流程如下图

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问已选择键集（selected key set）中的就绪通道。

wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在阻塞线程调用select()方法的对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即wake up。

close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

通过Selector选择通道：

int select()阻塞直到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了

int select(long timeout)增加最长阻塞毫秒数

int selectNow()不会阻塞，不管什么通道就绪都立刻返回

三、 Tars NIO网络编程

了解完 Java NIO的原理，我们来看看Tars是如何使用NIO进行网络编程的。

Tars的网络模型是多reactor多线程模型。有一点特殊的是tars的reactor线程组里随机选一个线程处理网络事件，并且该线程同时也能处理读写。

核心类之间的关系如下：

3.1 一个典型的Java NIO服务端开发流程

创建ServerSocketChannel,设置为非阻塞，并绑定端口

创建Selector对象

给ServerSocketChannel注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件

启动一个线程循环，调用Selector的select方法来检查IO就绪事件，一旦有IO就绪事件，就通知用户线程去处理IO事件

如果有Accept事件，就创建一个SocketChannel，并注册SelectionKey.OP_READ

如果有读事件，判断一下是否全包，如果全包，就交给后端线程处理

写事件比较特殊。isWriteable表示的是本机的写缓冲区是否可写。这个在绝大多少情况下都是为真的。在Netty中只有写半包的时候才需要注册写事件，如果一次写就完全把数据写入了缓冲区就不需要注册写事件。

3.2 Tars客户端发起请求到服务器的流程

Communicator.stringToProxy()根据servantName等配置信息创建通信器。

ServantProxyFactory.getServantProxy()调用工厂方法创建servant代理。

ObjectProxyFactory.getObjectProxy()调用工厂方法创建obj代理。

TarsProtocolInvoker.create()创建协议调用者。

ServantProtocolInvoker.initClient(Url url)根据servantProxyConfig中的配置信息找到servant的ip端口等进行初始化ServantClient。

ClientPoolManager.getSelectorManager()如果第一次调用selectorManager是空的就会去初始化selectorManager。

reactorSet = new Reactor[selectorPoolSize]; SelectorManager初始化构造类中的会根据selectorPoolSize（默认是2）的配置创建Reactor线程数组。线程名称的前缀是servant-proxy-加上CommunicatorId，CommunicatorId生成规则是由locator的地址生成的UUID。

启动reactor线程。

3.3 Tars服务端启动步骤

tars支持TCP和UDP两种协议，RPC场景下是使用TCP协议。

new SelectorManager()根据配置信息初始化selectorManager，线程池大小 processors > 8 ? 4 + (processors * 5 / 8) : processors + 1；线程名称前缀是server-tcp-reactor，然后启动reactor线程数组中的所有线程。

开启服务端监听的ServerSocketChannel，绑定服务端本地ip和监听的端口号，设置TCP连接请求队列的最大容量为1024；设置非阻塞模式。

选取reactor线程数组中第0个线程作为服务端监听连接OP_ACCEPT就绪事件的线程。

代码4：

public void bind(AppService appService) throws IOException {
 
    // 此处略去非关键代码
 
    if (endpoint.type().equals("tcp")) {  // 1
        this.selectorManager = new SelectorManager(Utils.getSelectorPoolSize(), new ServantProtocolFactory(codec), threadPool, processor, keepAlive, "server-tcp-reactor", false);     // 2
        this.selectorManager.setTcpNoDelay(serverCfg.isTcpNoDelay());
        this.selectorManager.start();
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(endpoint.host(), endpoint.port()), 1024);   // 3
        serverChannel.configureBlocking(false);
              selectorManager.getReactor(0).registerChannel(serverChannel, SelectionKey.OP_ACCEPT);  // 4
    } else if (endpoint.type().equals("udp")) {
        this.selectorManager = new SelectorManager(1, new ServantProtocolFactory(codec), threadPool, processor, false, "server-udp-reactor", true);
        this.selectorManager.start();
        // UDP开启的是DatagramChannel
        DatagramChannel serverChannel = DatagramChannel.open();
        DatagramSocket socket = serverChannel.socket();
        socket.bind(new InetSocketAddress(endpoint.host(), endpoint.port()));
        serverChannel.configureBlocking(false);
        // UDP协议不需要建连，监听的是OP_READ就绪事件
        this.selectorManager.getReactor(0).registerChannel(serverChannel, SelectionKey.OP_READ);
    }
}

3.4 Reactor线程启动流程

多路复用器开始轮询检查 是否有就绪的事件。

处理register队列中剩余的channel注册到当前reactor线程的多路复用器selector中。

获取已选键集中所有就绪的channel。

更新Session中最近操作时间，Tars服务端启动时会调用 startSessionManager() , 单线程每30s扫描一次session会话列表，会检查每个session的 lastUpdateOperationTime 与当前时间的时间差，如果超过60秒会将过期session对应的channel踢除。

分发IO事件进行处理。

处理unregister队列中剩余的channel,从当前reactor线程的多路复用器selector中解除注册。

代码5：

public void run() {
        while (!Thread.interrupted()) {
            selector.select();  // 1
            processRegister();  // 2
            Iterator iter = selector.selectedKeys().iterator();   //  3
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                iter.remove();
                if (!key.isValid()) continue;
                try {
                    if (key.attachment() != null && key.attachment() instanceof Session) {
                      ((Session) key.attachment()).updateLastOperationTime(); //4
                    }
                 dispatchEvent(key);    // 5
                } catch (Throwable ex) {
                 disConnectWithException(key, ex);
                }
            }
            processUnRegister();  // 6
        }
}

3.5IO事件分发处理

每个reactor线程都有一个专门的Accepter类去处理各种IO事件。TCPAccepter可以处理全部的四种事件（OP_ACCEPT、OP_CONNECT、OP_WRITE、OP_READ）、UDPAccepter由于不需要建立连接所以只需要处理读和写两种事件。

1.处理OP_ACCEPT

获取channel，处理TCP请求。

为这个TCP请求创建TCPSession，会话的状态是服务器已连接

会话注册到sessionManager中，Tars服务可配置最大连接数maxconns，如果超过就会关闭当前会话。

寻找下一个reactor线程进行多路复用器与channel的绑定。

代码6：

public void handleAcceptEvent(SelectionKey key) throws IOException {
    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel(); // 1
    SocketChannel channel = server.accept();
       channel.socket().setTcpNoDelay(selectorManager.isTcpNoDelay());
    channel.configureBlocking(false);
    Utils.setQosFlag(channel.socket());
    TCPSession session = new TCPSession(selectorManager);    // 2
    session.setChannel(channel);
    session.setStatus(SessionStatus.SERVER_CONNECTED);
    session.setKeepAlive(selectorManager.isKeepAlive());
    session.setTcpNoDelay(selectorManager.isTcpNoDelay());
    SessionManager.getSessionManager().registerSession(session);   // 3
      selectorManager.nextReactor().registerChannel(channel, SelectionKey.OP_READ, session); // 4
}

2.处理OP_CONNECT

获取客户端连接过来的channel通道

获取Session

与服务器建立连接，将关注的兴趣OPS设置为ready就绪事件，session中的状态修改为客户端已连接

代码7：

publicvoidhandleConnectEvent(SelectionKeykey)throwsIOException{
    SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();  // 1
    TCPSession session = (TCPSession) key.attachment();   //2
    if (session == null) throw new RuntimeException("The session is null when connecting to ...");
    try {  // 3
        client.finishConnect();
        key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        session.setStatus(SessionStatus.CLIENT_CONNECTED);
    } finally {
        session.finishConnect();
    }
}

3.处理OP_WRITE、处理OP_READ

调用session.read()和session.doWrite()方法处理读写事件

代码8：

public void handleReadEvent(SelectionKey key) throws IOException {
    TCPSession session = (TCPSession) key.attachment();
    if (session == null) throw new RuntimeException("The session is null when reading data...");
    session.read();
}
public void handleWriteEvent(SelectionKey key) throws IOException {
    TCPSession session = (TCPSession) key.attachment();
    if (session == null) throw new RuntimeException("The session is null when writing data...");
    session.doWrite();
}

3.6 seesion中网络读写的事件详细处理过程

1.读事件处理

申请2k的ByteBuffer空间，读取channel中的数据到readBuffer中。根据sessionStatus判断是客户端读响应还是服务器读请求，分别进行处理。

代码9：

protected void read() throws IOException {
    int ret = readChannel();
    if (this.status == SessionStatus.CLIENT_CONNECTED) {
        readResponse();
    } else if (this.status == SessionStatus.SERVER_CONNECTED) {
        readRequest();
    } else {
        throw new IllegalStateException("The current session status is invalid. [status:" + this.status + "]");
    }
    if (ret < 0) {
        close();
        return;
    }
}
private int readChannel() throws IOException {
    int readBytes = 0, ret = 0;
    ByteBuffer data = ByteBuffer.allocate(1024 * 2);  // 1
    if (readBuffer == null) {
        readBuffer = IoBuffer.allocate(bufferSize);
    }
       // 2
    while ((ret = ((SocketChannel) channel).read(data)) > 0) {
        data.flip();  // 3
        readBytes += data.remaining();
        readBuffer.put(data.array(), data.position(), data.remaining());
        data.clear();
    }
    return ret < 0 ? ret : readBytes;
}

①客户端读响应

从当前readBuffer中的内容复制到一个新的临时buffer中，并且切换到读模式，使用TarsCodec类解析出buffer内的协议字段到response，WorkThread线程通知Ticket处理response。如果response为空，则重置tempBuffer到mark的位置，重新解析协议。

代码10：

public void readResponse() {
    Response response = null;
    IoBuffer tempBuffer = null;
        tempBuffer = readBuffer.duplicate().flip();
        while (true) {
            tempBuffer.mark();
            if (tempBuffer.remaining() > 0) {
                response = selectorManager.getProtocolFactory().getDecoder().decodeResponse(tempBuffer, this);
            } else {
                response = null;
            }
            if (response != null) {
                if (response.getTicketNumber() == Ticket.DEFAULT_TICKET_NUMBER) response.setTicketNumber(response.getSession().hashCode());
                selectorManager.getThreadPool().execute(new WorkThread(response, selectorManager));
            } else {
                tempBuffer.reset();
                readBuffer = resetIoBuffer(tempBuffer);
                break;
            }
        }
}

②服务器读请求

任务放入线程池交给 WorkThread线程，最终交给Processor类出构建请求的响应体，包括分布式上下文，然后经过FilterChain的处理，最终通过jdk提供的反射方法invoke服务端本地的方法然后返回response。如果线程池抛出拒绝异常，则返回SERVEROVERLOAD = -9，服务端过载保护。如果request为空，则重置tempBuffer到mark的位置，重新解析协议。

代码11：

public void readRequest() {
    Request request = null;
    IoBuffer tempBuffer = readBuffer.duplicate().flip();
        while (true) {
            tempBuffer.mark();
            if (tempBuffer.remaining() > 0) {
                request = selectorManager.getProtocolFactory().getDecoder().decodeRequest(tempBuffer, this);
            } else {
                request = null;
            }
            if (request != null) {
                try {
                    request.resetBornTime();
                    selectorManager.getThreadPool().execute(new WorkThread(request, selectorManager));
                } catch (RejectedExecutionException e) {
                  selectorManager.getProcessor().overload(request, request.getIoSession());
                } catch (Exception ex) {
                  ex.printStackTrace();
                }
            } else {    
                tempBuffer.reset();
                readBuffer = resetIoBuffer(tempBuffer);
                break;
            }
        }
}

2.写事件处理

同样也包括客户端写请求和服务端写响应两种，其实这两种都是往TCPSession中的LinkedBlockingQueue（有界队列最大8K）中插入ByteBuffer。LinkedBlockingQueue中的ByteBuffer最终会由TCPAcceptor中的handleWriteEvent监听写就绪事件并消费。

代码12：

protected void write(IoBuffer buffer) throws IOException {
    if (buffer == null) return;
    if (channel == null || key == null) throw new IOException("Connection is closed");
    if (!this.queue.offer(buffer.buf())) {
        throw new IOException("The session queue is full. [ queue size:" + queue.size() + " ]");
    }
    if (key != null) {
        key.interestOps(key.interestOps() | SelectionKey.OP_WRITE);
        key.selector().wakeup();
    }
}

四、总结

本文主要介绍了Java NIO编程的基础知识 和 Tars-Java 1.7.2版本的网络编程模块的源码实现。

在最新的Tars-Java的master分支中我们可以发现网络编程已经由NIO改成了Netty，虽然Netty更加成熟稳定，但是作为学习者了解NIO的原理也是掌握网络编程的必经之路。

审核编辑：刘清