在上一篇我们分析了Metadata的更新机制，其中涉及到一个问题，就是Sender如何跟服务器通信，也就是网络层。同很多Java项目一样，Kafka client的网络层也是用的Java NIO，然后在上面做了一层封装。
下面首先看一下，在Sender和服务器之间的部分：
可以看到，Kafka client基于Java NIO封装了一个网络层，这个网络层最上层的接口是KakfaClient。其层次关系如下：
在本篇中，先详细对最底层的Java NIO进行讲述。
NIO的4大组件
Buffer与Channel
Channel: 在通常的Java网络编程中，我们知道有一对Socket/ServerSocket对象，每1个socket对象表示一个connection，ServerSocket用于服务器监听新的连接。
在NIO中，与之相对应的一对是SocketChannel/ServerSocketChannel。
下图展示了SocketChannel/ServerSocketChannel的类继承层次
public interface Channel extends Closeable {
public boolean isOpen();
public void close() throws IOException;
}
public interface ReadableByteChannel extends Channel {
public int read(ByteBuffer dst) throws IOException;
}
public interface WritableByteChannel extends Channel {
public int write(ByteBuffer src) throws IOException;
}
从代码可以看出，一个Channel最基本的操作就是read/write，并且其传进去的必须是ByteBuffer类型，而不是普通的内存buffer。
Buffer：在NIO中，也有1套围绕Buffer的类继承层次，在此就不详述了。只需知道Buffer就是用来封装channel发送／接收的数据。
Selector
Selector的主要目的是网络事件的 loop 循环，通过调用selector.poll，不断轮询每个Channel上读写事件
SelectionKey
SelectionKey用来记录一个Channel上的事件集合，每个Channel对应一个SelectionKey。
SelectionKey也是Selector和Channel之间的关联，通过SelectionKey可以取到对应的Selector和Channel。
关于这4大组件的协作、配合，下面来详细讲述。
4种网络IO模型
epoll与IOCP
在《Unix环境高级编程》中介绍了以下4种IO模型（实际不止4种，但常用的就这4种）：
阻塞IO： read/write的时候，阻塞调用
非阻塞IO： read/write，没有数据，立马返回，轮询
IO复用：read/write一次都只能监听一个socket，但对于服务器来讲，有成千上完个socket连接，如何用一个函数，可以监听所有的socket上面的读写事件呢？这就是IO复用模型，对应linux上面，就是select/poll/epoll3种技术。
异步IO：linux上没有，windows上对应的是IOCP。
Reactor模式 vs. Preactor模式
相信很多人都听说过网络IO的2种设计模式，关于这2种模式的具体阐述，可以自行google之。
在此处，只想对这2种模式做一个“最通俗的解释“：
Reactor模式：主动模式，所谓主动，是指应用程序不断去轮询，问操作系统，IO是否就绪。Linux下的select/poll/epooll就属于主动模式，需要应用程序中有个循环，一直去poll。
在这种模式下，实际的IO操作还是应用程序做的。
Proactor模式：被动模式，你把read/write全部交给操作系统，实际的IO操作由操作系统完成，完成之后，再callback你的应用程序。
Windows下的IOCP就属于这种模式，再比如C++ Boost中的Asio库，就是典型的Proactor模式。
epoll的编程模型－－3个阶段
在Linux平台上，Java NIO就是基于epoll来实现的。所有基于epoll的框架，都有3个阶段：
注册事件(connect,accept,read,write)， 轮询IO是否就绪，执行实际IO操作。
下面的代码展示了在linux下，用c语言epoll编程的基本框架:
//阶段1： 调用epoll_ctl(xx) 注册事件
for( ; ; )
{
nfds = epoll_wait(epfd,events,20,500); //阶段2：轮询所有的socket
for(i=0;i<nfds;++i) //处理轮询结果
{
if(events[i].data.fd==listenfd) //accept事件就绪
{
connfd = accept(listenfd,(sockaddr *)&clientaddr, &clilen); //阶段3：执行实际的IO操作，accept
ev.data.fd=connfd;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev); //回到阶段1：重新注册
}
else if( events[i].events&EPOLLIN ) //读就绪
{
n = read(sockfd, line, MAXLINE)) < 0 //阶段3：执行实际的io操作
ev.data.ptr = md;
ev.events=EPOLLOUT|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //回到阶段1：重新注册事件
}
else if(events[i].events&EPOLLOUT) //写就绪
{
struct myepoll_data* md = (myepoll_data*)events[i].data.ptr;
sockfd = md->fd;
send( sockfd, md->ptr, strlen((char*)md->ptr), 0 ); //阶段3： 执行实际的io操作
ev.data.fd=sockfd;
ev.events=EPOLLIN|EPOLLET;
epoll_ctl(epfd,EPOLL_CTL_MOD,sockfd,&ev); //回到阶段1，重新注册事件
}
else
{
//其他的处理
}
}
}
同样， NIO中的Selector同样有以下3个阶段，下面把Selector和epoll的使用做个对比：
可以看到，2者只是写法不同，同样的， 都有这3个阶段。
下面的表格展示了connect, accept, read, write 这4种事件，分别在这3个阶段对应的函数：
下面看一下Kafka client中Selector的核心实现：
@Override
public void poll(long timeout) throws IOException {
。。。
clear(); //清空各种状态
if (hasStagedReceives())
timeout = 0;
long startSelect = time.nanoseconds();
int readyKeys = select(timeout); //轮询
long endSelect = time.nanoseconds();
currentTimeNanos = endSelect;
this.sensors.selectTime.record(endSelect - startSelect, time.milliseconds());
if (readyKeys > 0) {
Set<SelectionKey> keys = this.nioSelector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
KafkaChannel channel = channel(key);
// register all per-connection metrics at once
sensors.maybeRegisterConnectionMetrics(channel.id());
lruConnections.put(channel.id(), currentTimeNanos);
try {
if (key.isConnectable()) { //有连接事件
channel.finishConnect();
this.connected.add(channel.id());
this.sensors.connectionCreated.record();
}
if (channel.isConnected() && !channel.ready())
channel.prepare(); //这个只有需要安全检查的SSL需求，普通的不加密的channel，prepare()为空实现
if (channel.ready() && key.isReadable() && !hasStagedReceive(channel)) { //读就绪
NetworkReceive networkReceive;
while ((networkReceive = channel.read()) != null)
addToStagedReceives(channel, networkReceive); //实际的读动作
}
if (channel.ready() && key.isWritable()) { //写就绪
Send send = channel.write(); //实际的写动作
if (send != null) {
this.completedSends.add(send);
this.sensors.recordBytesSent(channel.id(), send.size());
}
}
/* cancel any defunct sockets */
if (!key.isValid()) {
close(channel);
this.disconnected.add(channel.id());
}
} catch (Exception e) {
String desc = channel.socketDescription();
if (e instanceof IOException)
log.debug("Connection with {} disconnected", desc, e);
else
log.warn("Unexpected error from {}; closing connection", desc, e);
close(channel);
this.disconnected.add(channel.id());
}
}
}
addToCompletedReceives();
long endIo = time.nanoseconds();
this.sensors.ioTime.record(endIo - endSelect, time.milliseconds());
maybeCloseOldestConnection();
}
epoll和selector在注册上的差别
从代码可以看出， Selector和epoll在代码结构上基本一样，但在事件的注册上面有区别：
epoll: 每次read/write之后，都要调用epoll_ctl重新注册
Selector: 注册一次，一直有效，一直会有事件产生，因此需要取消注册。下面来详细分析一下：
connect事件的注册
//Selector
public void connect(String id, InetSocketAddress address, int sendBufferSize, int receiveBufferSize) throws IOException {
if (this.channels.containsKey(id))
throw new IllegalStateException("There is already a connection for id " + id);
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
。。。
try {
socketChannel.connect(address);
} catch (UnresolvedAddressException e) {
socketChannel.close();
throw new IOException("Can't resolve address: " + address, e);
} catch (IOException e) {
socketChannel.close();
throw e;
}
SelectionKey key = socketChannel.register(nioSelector, SelectionKey.OP_CONNECT); //构造channel的时候，注册connect事件
KafkaChannel channel = channelBuilder.buildChannel(id, key, maxReceiveSize);
key.attach(channel);
this.channels.put(id, channel);
}
connect事件的取消
//在上面的poll函数中，connect事件就绪，也就是指connect连接完成，连接简历
if (key.isConnectable()) { //有连接事件
channel.finishConnect();
...
}
//PlainTransportLayer
public void finishConnect() throws IOException {
socketChannel.finishConnect(); //调用channel的finishConnect()
key.interestOps(key.interestOps() & ~SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ); //取消connect事件，新加read事件组册
}
read事件的注册
从上面也可以看出，read事件的注册和connect事件的取消，是同时进行的
read事件的取消
因为read是要一直监听远程，是否有新数据到来，所以不会取消，一直监听
write事件的注册
//Selector
public void send(Send send) {
KafkaChannel channel = channelOrFail(send.destination());
try {
channel.setSend(send);
} catch (CancelledKeyException e) {
this.failedSends.add(send.destination());
close(channel);
}
}
//KafkaChannel
public void setSend(Send send) {
if (this.send != null)
throw new IllegalStateException("Attempt to begin a send operation with prior send operation still in progress.");
this.send = send;
this.transportLayer.addInterestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //每调用一次Send，注册一次Write事件
}
Write事件的取消
//上面的poll函数里面
if (channel.ready() && key.isWritable()) { //write事件就绪
Send send = channel.write(); //在这个write里面，取消了write事件
if (send != null) {
this.completedSends.add(send);
this.sensors.recordBytesSent(channel.id(), send.size());
}
}
private boolean send(Send send) throws IOException {
send.writeTo(transportLayer);
if (send.completed())
transportLayer.removeInterestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //取消write事件
return send.completed();
}
总结一下：
（1）“事件就绪“这个概念，对于不同事件类型，还是有点歧义的
read事件就绪：这个最好理解，就是远程有新数据到来，需要去read
write事件就绪：这个指什么呢？ 其实指本地的socket缓冲区有没有满。没有满的话，应该就是一直就绪的，可写
connect事件就绪： 指connect连接完成
accept事件就绪：有新的连接进来，调用accept处理
（2）不同类型事件，处理方式是不一样的：
connect事件：注册1次，成功之后，就取消了。有且仅有1次
read事件：注册之后不取消，一直监听
write事件： 每调用一次send，注册1次，send成功，取消注册
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