Tars-Java网络编程源码分析

Posted on by hackdl


作者：vivo 互联网服务器团队- Jin Kai


本文从Java NIO网络编程的基础知识讲到了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。


官方仓库地址：

https://github.com/TarsCloud/Tars


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。


此前已在vivo互联网技术公众号发布过《Tars Java 客户端源码分析》此篇文章为续集。


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：

  1. 支持文件读写数据的FileChannel

  2. 能通过UDP读写网络中的数据的DatagramChannel 

  3. 能通过TCP读写网络数据的SocketChannel

  4. 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：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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

  1. 创建ServerSocketChannel,设置为非阻塞，并绑定端口

  2. 创建Selector对象

  3. 给ServerSocketChannel注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件

  4. 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

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

  6. 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

  7. 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

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

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

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

  4.  TarsProtocolInvoker.create() 创建协议调用者。

  5. 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。

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

  7.  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。

  8. 启动reactor线程。


3.3 Tars服务端启动步骤

  1. tars支持TCP和UDP两种协议，RPC场景下是使用TCP协议。

  2. 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。

  3. 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。

  4.  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

  1. 多路复用器开始轮询检查 是否有就绪的事件。

  2. 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。

  3. 获取已选键集中所有就绪的channel。

  4.  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。

  5.  分发IO事件进行处理。

  6.  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        }}


3.5 IO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

  1. 获取channel，处理TCP请求。

  2. 为这个TCP请求创建TCPSession，会话的状态是服务器已连接

  3. 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。

  4. 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

  1. 获取客户端连接过来的channel通道

  2. 获取Session

  3.  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：

public void handleConnectEvent(SelectionKey key) throws IOException {    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。


更多关于Tars框架的介绍可以访问：

https://tarscloud.org/

本文分析源码地址（v1.7.x分支）：

https://github.com/TarsCloud/TarsJava




END


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