Socket 与 Android Socket AIO 库 Naga 的介绍

Socket介绍
Socket相关概念

应用场景

非阻塞IO复用
性能比较

Naga Socket 库
Nage 运行构架图

架构介绍

架构流程

Naga Socket Client 代码

Naga Socket Server 代码

小结

最近项目要求Android客户端使用Socket，所以把Android平台能够使用的Socket调研了一下：

Socket介绍

Socket分为如下几种：BIO、NIO、AIO，在了解每种Socket之前，首先要了解几个概念：

Socket相关概念

同步: 是指应用进程触发IO操作后，等待或者轮询查看IO状态是否改变。

异步: 是指应用进程触发IO操作后，就去执行其它任务，当有内核进程通知应用进程IO状态发生改变，应用进程根据最新的状态进行IO操作。

阻塞: 是指当IO状态改变后，进行相关IO操作时，如果IO被占用，一直处于等待，知道IO可用为止。

非阻塞: 是指当IO状态改变后，进行相关IO操作时，如果IO被占用，马上返回操作结果值，当IO就绪时，IO函数会通知最新的IO状态，从而继续进行IO操作。

了解以上几个概念之后，通过不同的组合，就会形成Socket的几个种类：BIO、NIO、AIO

同步阻塞（BIO）: 代码行为模式为一个连接在一个线程中运行，在每个线程中如果IO处于阻塞状态，就是指一直等待IO准备就绪，知道可以继续进行操作。可用线程池提高处理性能。

同步非阻塞（NIO）： 代码行为模式为一个请求一个线程。每一个连接通道都会注册到多路复用器上，多路复用器会轮询所有连接通道，发现有IO请求时会启动一个线程进行处理。多路复用器需要再一个单独的线程中去执行轮询操作。

异步阻塞（NIO）： 代码行为模式为当应用发起IO操作后，马上就会受到状态回复，当内核处理完IO操作后，通知应用程序IO最新状态。在OS内核层，系统会调用select系统调用对IO进行处理，select会同时监听多个文件句柄，提高了并发性，但是对于每个文件句柄的读写操作时阻塞的。

异步非阻塞（AIO）：代码行为模式为应用进程发起一个IO操作后立即返回，等内核处理完IO操作后，会通知应用进程IO数据，应用进程取得数据进行处理即可。

如果理解不太清楚，可以通过下面例子进行辅助理解：

同步阻塞: 小明去书店买书，然后一直在柜台前等着，并且一直询问：有书吗？有书吗？……

同步非阻塞: 小明去书店买书，跟柜台说完后就去网吧玩了，玩一会就跑回柜台问一下：书准备好了吗？

异步阻塞：小明给书店打电话说要定新书，当在网吧玩时，书店打来电话，说有新书了，小明自己去拿书。

异步非阻塞：小明给书店打电话说定新书，当在网吧玩时，书店打电话说，有新书到了，并派人将新书送过来。

应用场景

BIO：适用于方法简单，开发速度快。但是连接数较小，对服务器性能较高，并发性差。

NIO：适用于连接数多且为短链接，轻数据量的服务器，比如通讯服务器，编程方式复杂，JDK1.4中引入。

AIO：适用于连接数少且为长连接，重数据量的服务器，比如视频服务器，充满在JDK1.7中引入，所以Android系统中，只用5.0+版本才支持AIO。

非阻塞IO复用

在操作系统层，处理非阻塞IO复用时，一般会有三种方式：select、poll、epoll。

select：通过设置或存放文件句柄标志位数据结构来处理IO，有如下缺点：

单线程可以监控的fd数量有限，默认为2048个，修改需要改动内核常量设置。

根据fd数量的大小决定，用户态和内核态之间传输效率

轮询起扫描时占用大量CPU计算时间

多线程同步机制的处理

poll：与select一样，将用户态的数据复制到内核中，然后遍历所有句柄，如果有就绪IO则将此IO放入等待队列中，如果没有准备就绪的IO，则挂起轮询进程，当IO被唤醒时再次启动轮询进程遍历fd表。

在poll中，fd使用链表存储，所以遍历的fd数量没有限制

用户态和内核态传输效率依然取决于fd数量

报告fd就绪后未被处理，下次poll时会再次报告该fd

epoll：epoll支持水平触发（Level-Triggered，支持阻塞和非阻塞模式）和边缘触发（Edge-Triggered，只有非阻塞模式）。

它只通知应用进程那些fd刚刚变为就绪状态，并且只会通知一次。

对于fd数据结构复制问题，epoll采用mmap共享内存来减少复制。

epoll通过向内核注册fd的方式来异步接收IO状态变化，

连接数受内存大小影响，1G内存可打开10万左右的fd

性能比较

从以上介绍可以看出，select和poll都是采用轮询的方式线性扫描，所以扫描速度会根据fd数量而改变。epoll采用内核回调机制，只有活跃的IO才会被内核调用epoll_wait。所以在连接数较大但活跃度较小的情况下，不会出现性能的下降，但是当活跃性较高时，采用poll或select方式会更好。

Naga Socket 库

Naga是个简单的Java Socket NIO库，使用线程队列和selector等技术，实现了类似java JDK1.7中的AIO的功能、封装简单，占用资源小、使用方便，可在Android平台中完美运行。GitHub连接地址为：https://github.com/techery/Naga

Nage 运行构架图

架构介绍

Naga 在 IO激发方面使用线程队列技术，图中橙色区域为Task Queue，队列中的每个channelResponder都集成了Runable接口，其中还包括：

channel实体：包括建立当前任务时的地址、端口号。

channel状态处理接口：包括readable、writeable、connected、accepted等

socket读写操作类：SocketWriter、SocketReader

Packet队列：包括当前任务的收发Packet，Selcetor遍历此包队列的信息，进行处理。

架构流程

在主线程中创建NIOServer，NIOServer包括Selector、Task Queue等运行环境上下文。

利用NIOServer的openSocket建立连接，并加入channelResponder到任务队列中。

channelResponder的建立过程中，会包括host address、port、channel、channel在selector重点的注册、packet queue以及相关接口，封装在实现Runable接口的类中。

NIOServer会在主线程中开启轮询操作。首先轮询是否在Task Queue中存在任务元组，若存在，唤醒selector遍历其中的Packet Queue对数据进行IO操作，直到Packet Queue为空后，将selector挂起。

Naga Socket Client 代码

SocketStateCallBack connectSocktListener;
mNioService = new NIOService();

if(mNioSocket == null)
{
mNioSocket = mNioService.openSocket(
ShareConstants.SERVICR_HOST,
ShareConstants.SERVICR_PORT);
breakFlag = true;

mNioSocket.listen(new SocketObserver() {
@Override
public void connectionOpened(NIOSocket nioSocket) {
breakFlag = true;
DugUtils.logI(getClass(), "connected");
connectSocktListener.connectSocketSuccessful(nioSocket);
}

@Override
public void packetSent(NIOSocket socket, Object tag) {

}

@Override
public void packetReceived(NIOSocket socket, byte[] packet) {
String strReceive = "";
try {
strReceive = new String(packet, "UTF-8");
String[] strSplit = strReceive.split(mStrSplit);
for (int i = 0; i < strSplit.length; i++) {
if (JsonUtils.isGoodJson(strSplit[i])) {
connectSocktListener.receiveRespMessage(strSplit[i]);
}
}
DugUtils.logI(getClass(), "Reply message: " + strReceive);
} catch (UnsupportedEncodingException e) {
e.printStackTrace();
DugUtils.logI(getClass(), "Reply error message: " + strReceive);
}
}

@Override
public void connectionBroken(NIOSocket nioSocket, Exception exception)   {
breakFlag = false;
if (mContext != null) {
if (!nioSocket.isOpen()) {
DugUtils.logI(getClass(), "the connection is broken.");
isNioSocketSuccessful = false;
connectSocktListener.connectionIsBroken();
}
}
mNioSocket = null;
}

while(breakFlag){
mNioService.selectBlocking();
}

Naga Socket Server 代码

NIOService service = new NIOService();
NIOServerSocket socket = service.openServerSocket(port);

socket.listen(new ServerSocketObserverAdapter()
{
public void newConnection(NIOSocket nioSocket)
{
System.out.println("Client " + nioSocket.getIp() + " connected.");
nioSocket.listen(new SocketObserverAdapter()
{
public void packetReceived(NIOSocket socket, byte[] pac ket)
{
socket.write(packet);
}

public void connectionBroken(NIOSocket nioSocket, Exception exception)
{
System.out.println("Client " + nioSocket.getIp() + " disconnected.");
}
});
}
});

socket.setConnectionAcceptor(ConnectionAcceptor.ALLOW);

while (true)
{
service.selectBlocking();
}

小结

本文章介绍了Socket的基本概念和种类，并对Android客户端中可以使用的Nage AIO Socket 库进行了分析，由于时间有限，如读者发现存在错误，请留言交流。

下一篇，要对Naga库中的Socket+SSL功能进行介绍，实现Socket的加密通信功能。