jdk的Selector源码分析(二)poll方式实现

原创
2016/08/26 12:03
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1系列内容

2 linux的poll实现

linux中有系统调用poll方法,定义如下:

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

上述pollfd结构体定义如下:

typedef struct pollfd {
	int fd;
	short events;
	short revents;
} pollfd_t;

int fd:一个文件描述句柄,代表一个Channel连接

short events:该文件描述符感兴趣的事件,如POLLIN表示该文件描述符有读事件,POLLOUT表示该文件描述符可写。

short revents:代表该文件描述符当前已有的事件,如有读事件则值为POLLIN,有读写事件则为POLLIN和POLLOUT的并集

整体的意思就是:你指定了结构体列表的起始地址和要监控的结构体个数,linux系统就会为你在timeout时间内监控上述结构体列表中的文件描述符的相关事件,并把发生的事件写入到上述的short revents属性中。

所以我们在执行一次poll之后,要想获取所有的发生了事件的文件描述符,则需要遍历整个pollfd列表,依次判断上述的short revents是否不等于0,不等于0代表发生了事件。

3 jdk的poll实现概述

jdk要做的事情就是准备参数数据,然后去调用上述poll方法,这就要用到JNI来实现。jdk使用PollSelectorImpl来实现上述poll调用。

3.1 pollfd参数

jdk需要将java层面接收到的一个Channel连接映射到一个pollfd结构体,PollSelectorImpl针对此创建了一个AllocatedNativeObject 对象,该对象不是在堆中,它内部使用Unsafe类直接操作内存地址。它就是专门用来存放上述一个个pollfd结构体的内容,通过固定的offset来获取每个结构体的数据内容。

所以在调用上述poll方法的时候,直接传递的是AllocatedNativeObject对象的内存地址

注册Channel要做的事:其实就是将Channel的相关数据填充到上述AllocatedNativeObject的内存地址上,下次调用poll的时候,自然就会被监控

取消Channel注册要做的事:其实就是从上述AllocatedNativeObject的内存地址上移除该Channel代表的pollfd结构体

3.2 nfds参数

上述注册和移除的过程,都会改变目前已注册的Channel数目,这个已注册的数目就是要传递给poll的int nfds参数

4 PollSelectorImpl代码分析

上述过程就可以简单理解整个实现原理,下面来详细看看具体的代码是怎么写的

4.1 概述

PollSelectorImpl的创建过程如下:

PollSelectorImpl(SelectorProvider sp) {
    super(sp, 1, 1);
    long pipeFds = IOUtil.makePipe(false);
    fd0 = (int) (pipeFds >>> 32);
    fd1 = (int) pipeFds;
    pollWrapper = new PollArrayWrapper(INIT_CAP);
    pollWrapper.initInterrupt(fd0, fd1);
    channelArray = new SelectionKeyImpl[INIT_CAP];
}

有如下2个内容

  • 1 创建了pipe,得到读写文件描述符,并注册到了PollArrayWrapper中
  • 2 创建了PollArrayWrapper

PollArrayWrapper pollWrapper:内部创建了一个上述介绍的AllocatedNativeObject对象(用于存放注册的Channel),而pollWrapper则更像是一个工具类,来方便的用户操作AllocatedNativeObject对象,pollWrapper把普通的操作都转化成对内存的操作,如下图所示

PollArrayWrapper对内存的操作

我们知道PollSelectorImpl在select过程的阻塞时间受控于所注册的Channel的事件,一旦有事件才会进行返回,没有事件的话就一直阻塞,为了可以允许手动控制这种局面的话,就额外增加了一个监控,即对pipe的读监控。对pipe的读文件描述符即fd0注册到PollArrayWrapper中的第一个位置,如果我们对pipe的写文件描述符fd1进行写数据操作,则pipe的读文件描述符必然会收到读事件,即可以使PollSelectorImpl不再阻塞,立即返回。

来看下初始化注册f0的代码

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

即将fd0存放到PollArrayWrapper的AllocatedNativeObject中,并关注POLLIN即读事件。并将pipe的写文件描述符保存到interruptFD属性中

Selector对外提供了wakeup方法,来看下PollSelectorImpl的实现

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

private static native void interrupt(int fd);

这里就是对上述pipe的写文件描述符执行interrupt操作,来看看底层实现代码是:

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");
    }
}

这里就是简单的对pipe的写文件描述符写入数据用来触发pipe的读文件描述符的读事件而已。

至此,PollSelectorImpl的初始化过程就完成了。

4.2 注册和取消注册Channel过程

注册Channel其实就是向PollSelectorImpl中的PollArrayWrapper存放该Channel的fd、关注的事件信息,来看下实现代码

注册Channel

一点就是容量大了就需要进行对PollArrayWrapper中的AllocatedNativeObject进行扩容

另一点就是存储到PollArrayWrapper中的AllocatedNativeObject中,如下

void addEntry(SelChImpl sc) {
    putDescriptor(totalChannels, IOUtil.fdVal(sc.getFD()));
    putEventOps(totalChannels, 0);
    putReventOps(totalChannels, 0);
    totalChannels++;
}

存储的信息是:Channel的fd,关注的事件(初始是0)

而channel的关注事件是后来才设置到PollArrayWrapper的AllocatedNativeObject中的,见

pollWrapper.putEventOps(sk.getIndex(), ops);

void putEventOps(int i, int event) {
    int offset = SIZE_POLLFD * i + EVENT_OFFSET;
    pollArray.putShort(offset, (short)event);
}

不同的Selector实现,上述实现过程也是不一样的。

再来看看取消注册Channel

取消注册Channel

其实就是将最后一个直接覆盖到要删除的那个,以及更新相关数据的变化。

4.3 doSelect实现过程

如下图

doSelect过程

第一步:就是处理那些取消了的Channel,即遍历Selector的Set<SelectionKey> cancelledKeys,依次调用他们的取消注册和其他逻辑

第二步:就是使用pollWrapper执行poll过程,该过程即是准备好参数,然后调用linux的系统调用poll方法,如下

int poll(int numfds, int offset, long timeout) {
    return poll0(pollArrayAddress + (offset * SIZE_POLLFD),
                 numfds, timeout);
}

private native int poll0(long pollAddress, int numfds, long timeout);

这里将AllocatedNativeObject的内存地址作为pollAddress,已注册的所有的Channel的数量作为numfds,timeout是用户传递的参数,然后就开始JNI调用

再看下native方法实现

JNIEXPORT jint JNICALL
Java_sun_nio_ch_PollArrayWrapper_poll0(JNIEnv *env, jobject this,
                                       jlong address, jint numfds,
                                       jlong timeout)
{
    struct pollfd *a;
    int err = 0;

    a = (struct pollfd *) jlong_to_ptr(address);

    if (timeout <= 0) {           /* Indefinite or no wait */
        RESTARTABLE (poll(a, numfds, timeout), err);
    } else {                     /* Bounded wait; bounded restarts */
        err = ipoll(a, numfds, timeout);
    }

    if (err < 0) {
        JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Poll failed");
    }
    return (jint)err;
}

先将内存地址作为address转换成pollfd结构体地址,然后调用ipoll,在ipoll中我们就会见到linux的系统调用poll

static int
ipoll(struct pollfd fds[], unsigned int nfds, int timeout)
{
    jlong start, now;
    int remaining = timeout;
    struct timeval t;
    int diff;

    gettimeofday(&t, NULL);
    start = t.tv_sec * 1000 + t.tv_usec / 1000;

    for (;;) {
        int res = poll(fds, nfds, remaining);
        if (res < 0 && errno == EINTR) {
            if (remaining >= 0) {
                gettimeofday(&t, NULL);
                now = t.tv_sec * 1000 + t.tv_usec / 1000;
                diff = now - start;
                remaining -= diff;
                if (diff < 0 || remaining <= 0) {
                    return 0;
                }
                start = now;
            }
        } else {
            return res;
        }
    }
}

至此linux系统开始为上述所有的Channel进行监控事件。

在发生了事件之后,会有2次遍历所有注册的Channel集合:

一次就是在linux底层poll调用的时候会遍历,将产生的事件值存放到pollfd结构体的revents地址中

另一次就是在java层面,获取产生的事件时,会遍历上述每一个结构体,拿到revents地址中的数据

第三步:一旦第二步返回就说明有事件或者超时了,一旦有事件,则linux的poll调用会把产生的事件遍历的赋值到poll调用指定的地址上,即我们指定的一个个pollfd结构体,映射到java对象就是PollArrayWrapper的AllocatedNativeObject,这时候我们获取事件就是遍历底层的每一个地址,拿到pollfd结构体中的revents,如果revents不为0代表发生了事件,还要与Channel关注的事件进行相&操作,不为0代表发生了Channel关注的事件了,并清空pollfd结构体中的revents数据供下次使用,代码如下

获取响应事件

这里就是通过指针操作直接获取对应底层结构体的revents数据。

第四步:上面提到了Selector也会注册一个fd用于监听,并且注册的位置时第一个即0,这里会取出该fd的发生事件,然后读取内容忽略掉即可,不然后仍然会触发该事件。代码如下

static native boolean drain(int fd)

JNIEXPORT jboolean JNICALL
Java_sun_nio_ch_IOUtil_drain(JNIEnv *env, jclass cl, jint fd)
{
    char buf[128];
    int tn = 0;

    for (;;) {
        int n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        tn += n;
        if ((n < 0) && (errno != EAGAIN))
            JNU_ThrowIOExceptionWithLastError(env, "Drain");
        if (n == (int)sizeof(buf))
            continue;
        return (tn > 0) ? JNI_TRUE : JNI_FALSE;
    }
}

5 结束语

下一篇就来详细介绍下jdk与linux的epoll对接实现

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