OSI网络七层模型
各层主要功能
低三层
- 物理层：使原始的数据比特流能在物理介质上传输
- 数据链路层：通过校验、确认和反馈重发等手段，形成稳定的数据链路
网络层：进行路由选择和流量控制（IP协议）
传输层：提供可靠的端口到端口的数据传输服务（TCP/UDP协议）
高三层
- 会话层：负责建立、管理和终止进程之间的会话与数据交换
- 表示层：负责数据格式转换、数据加密与解密、压缩和解压缩等
- 应用层：为用户的应用程序提供网络服务
传输控制协议TCP
TCP是Internet一个重要的传输层协议。TCP提供面向连接、可靠、有序、字节流传输服务。应用程序在使用TCP之前，必须先建立TCP连接。
TCP握手机制
用户数据报协议UDP
用户数据报协议UDP是Internet传输层协议。提供无连接、不可靠、数据报尽力传输服务。
在UDP协议上构建应用，关注以下几点：
- 数据报类型套接字SOCK_DGRAM（面向UDP接口）
- 流式套接字SOCK_STREAM（面向TCP接口）
- 原始套接字SOCK_RAM（面向网络层协议接口IP、ICMP等）
主要socket API及其调用过程：
Socket API函数定义：
listen()、accept()函数只能用于服务器端；
connect()函数只能用于客户端；
通用函数：socket()、bind()、send()、recv()、sendto()、recvfrom()、close()
BIO网络编程
- 实现：SocketServer和Socket
- 缺点：多个client同时访问服务器压力大
- 解决：使用线程池实现伪异步操作
服务器端代码：
public class BIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception{ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);System.out.println("服务器已启动。。。");while (!serverSocket.isClosed()) {Socket request = serverSocket.accept();// 阻塞，直到收到请求System.out.println("收到新的请求："+request.toString());try {InputStream inputStream = request.getInputStream();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));String msg;while((msg = reader.readLine()) != null){if(msg.length()==0){break;}System.out.println(msg);}System.out.println("收到数据,来自："+ request.toString());}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {try {request.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}serverSocket.close();}}
客户端代码：
public class BIOClient {private static Charset charset = Charset.forName("UTF-8");public static void main(String[] args) throws Exception{Socket socket = new Socket("localhost", 8080);OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入：");String msg = scanner.nextLine();outputStream.write(msg.getBytes(charset)); // 阻塞，写完成scanner.close();socket.close();}}
单线程的服务器端一次只能处理一个请求，会阻塞等待，用多线程改造服务器端，使其能同时处理多个请求。
多线程版服务器端代码：
public class BIOServer1 {private static ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();public static void main(String[] args) throws Exception{ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);System.out.println("服务器已启动。。。");while (!serverSocket.isClosed()) {Socket request = serverSocket.accept();// 阻塞，直到收到请求System.out.println("收到新的请求："+request.toString());threadPool.execute(()->{try {InputStream inputStream = request.getInputStream();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream));String msg;while((msg = reader.readLine()) != null){if(msg.length()==0){break;}System.out.println(msg);}System.out.println("收到数据,来自："+ request.toString());}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {try {request.close();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}});}serverSocket.close();}}
Http协议-请求数据包解析
- 第一部分： 请求行， 请求类型， 资源路径以及HTTP 版本。
- 第二部分： 请求头部， 紧接着请求行（ 即第一行） 之后的部分， 用来说明服务器要使用的附加信息
- 第三部分： 空行， 请求头部后面的空行是必须的请求头部和数据主体之间必须有换行
-
Http协议-响应数据包解析
第一部分： 状态行。HTTP 版本、状态码、状态消息。
- 第二部分： 响应报头部， 紧接着请求行〈即第一行） 之后的部分， 用来说明服务器要使用的附加信息
- 第三部分： 空行， 头部后面的空行是必须的头部和数据主体之间必须有换行
- 第四部分： 响应正文。可以添加任意的数据。
以上的代码只支持了多线程访问，但是浏览器不能访问，在收到请求后，返回http响应数据包即可实现浏览器访问。
支持浏览器访问的服务器端代码：
public class BIOServer2 {
private static ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
public static void main(String[] args) throws Exception {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
System.out.println("服务器启动成功");
while (!serverSocket.isClosed()) {
Socket request = serverSocket.accept();
System.out.println("收到新连接 : " + request.toString());
threadPool.execute(() -> {
try {
// 接收数据、打印
InputStream inputStream = request.getInputStream();
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(inputStream, "utf-8"));
String msg;
while ((msg = reader.readLine()) != null) {
if (msg.length() == 0) {
break;
}
System.out.println(msg);
}
System.out.println("收到数据,来自："+ request.toString());
// 响应结果 200
OutputStream outputStream = request.getOutputStream();
outputStream.write("HTTP/1.1 200 OK\r\n".getBytes());
outputStream.write("Content-Length: 11\r\n\r\n".getBytes());
outputStream.write("Hello World".getBytes());
outputStream.flush();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
request.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
serverSocket.close();
}
}
BIO-阻塞的含义
- 阻塞(blocking)IO： 资源不可用时，IO请求一直阻塞， 直到反馈结果（ 有数据或超时）。
非阻塞(non-blocking)IO： 资源不可用时，IO请求离开返回， 返回数据标识资源不可用。
同步(synchronous)IO： 应用阻塞在发送或接收数据的状态， 直到数据成功传输或返回失败。
- 异步(asynchronous) IO: 应用发送或接收数据后立刻返回， 实际处理是异步执行的。
阻塞和非阻塞是获取资源的方式， 同步/ 异步是程序如何处理资源的逻辑设计。
代码中使用的API ： ServerSocket#accept 、lnputStream#read 都是阻塞的API 。操作系统底层API中， 默认Socket 操作都是Blocking 型， send/recv 等接口都是阻塞的。
带来的问题： 阻塞致在处理网络I/O 时， 一个线程只能处理一个网络连接。
NIO网络编程
- NIO三个核心组件：Buffer（缓冲区）、Channel（通道）、Selector（选择器，多路复用器）
- 实现：SocketServerChannel、SocketChannel
Buffer缓冲区
缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块（ 类似数组） ， 然后可以再次读取。此内存块包含在NIO Buffer对象中， 该对象提供了一组方法， 可以更轻松地使用内存块。相比较直接对数组的操作， BufferAP | 更加容易操作和管理。
使用Buffer 进行数据写入与读取， 需要进行如下四个步骤：
- 将数据写入缓冲区
- 调用buffer.flip() ， 转换为读取模式
- 缓冲区读取数据
- 调用buffer.clear() 或buffer.compact() 清除缓冲区
Buffer工作原理
Buffer三个重要属性：
- capacity容量：作为一个内存块，Buffer具有一定的固定大小，也称“容量”
- position位置：写入模式时代表写数据的位置，读取模式时代表读取数据的位置
- limit限制：写入模式，限制等于buffer的容量；读取模式，limit等于写入的数据量
public class BufferDemo {
public static void main(String[] args) {
// 构建一个byte字节缓冲区，容量是4
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(4);
// 默认写入模式，查看三个重要的指标
System.out.println(String.format("初始化：capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));
// 写入2字节的数据
byteBuffer.put((byte) 1);
byteBuffer.put((byte) 2);
byteBuffer.put((byte) 3);
// 再看数据
System.out.println(String.format("写入3字节后，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));
// 转换为读取模式(不调用flip方法，也是可以读取数据的，但是position记录读取的位置不对)
System.out.println("#######开始读取");
byteBuffer.flip();
byte a = byteBuffer.get();
System.out.println(a);
byte b = byteBuffer.get();
System.out.println(b);
System.out.println(String.format("读取2字节数据后，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));
// 继续写入3字节，此时读模式下，limit=3，position=2.继续写入只能覆盖写入一条数据
// clear()方法清除整个缓冲区。compact()方法仅清除已阅读的数据。转为写入模式
byteBuffer.compact(); // buffer : 剩1个数据 ,可写入 3个
byteBuffer.put((byte) 3);
byteBuffer.put((byte) 4);
byteBuffer.put((byte) 5);
System.out.println(String.format("最终的情况，capacity容量：%s, position位置：%s, limit限制：%s", byteBuffer.capacity(),
byteBuffer.position(), byteBuffer.limit()));
// rewind() 重置position为0
// mark() 标记position的位置
// reset() 重置position为上次mark()标记的位置
}
}
ByteBuffer内存类型
ByteBuffer 为性能关键型代码提供了直接内存（ direct 堆外） 和非直接内存（ heap 堆） 两种实现。
堆外内存获取的方式： ByteBuffer directByteBuffer = ByteBuffer.aIIocateDirect(noBytes);
好处：
- 进行网络IO或者文件IO时比heapBuffer 少一次拷贝。(file/socket —- OS memory —- jvm heap)
GC 会移动对象内存， 在写file或socket 的过程中，JVM 的实现中， 会先把数据复制到堆外， 再进行写入。
- GC 范围之外， 降低GC 压力， 但实现了自动管理。DirectByteBuffer 中有一个Cleaner 对象
(PhantomReference), CIeaner 被GC 前会执行clean 方法， 触发DirectByteBuffer 中定义的Deallocator
建议：
- 性能确实可观的时候才去使用； 分配给大型、长寿命； （ 网络传输、文件读写场景）
- 通过虚拟机参数MaxDirectMemorySize限制大小， 防止耗尽整个枳器的内存；
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(4);Channel通道
Channel的API中涵盖了UDP/TCP网络和文件IO：FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel。
NIO和标准IO Stream的区别：
- 在一个通道内进行读取和写入，stream通常是单向的（input或output）
- 可以非阻塞的读取和写入通道
- 通道始终读取或写入缓冲区
SocketChannel
SocketChannel用于建立TCP网络连接，类似java.net.Socket。有两种创建SocketChannel的形式：
- 客户端主动发起和服务端的连接
- 服务端获取新的连接
write写：write()在尚未写入任何东西的时候就可能返回了。需要在循环中调用write()。
read读：read()方法可能直接返回而根本不读取任何数据，根据返回的int值判断读取了多少字节。
ServerSocketChannel
ServerSocketChannel可以监听新建的TCP通道，类似ServerSocket。
serverSocketChannel.accept()：如果该通道处于非阻塞模式，那么如果没有挂起的连接，该方法将立即返回null。必须检查返回的SocketChannel是否为null。
Selector选择器
Selector是一个Java NIO组件，可以检查一个或多个NIO通道，并确定哪些通道已经准备好进行读取或写入。实现单线程可以管理多个通道，从而管理多个网络连接。
一个线程使用Selector监听多个channel的不同事件：四个事件分别对应SelectionKey的四个常量。
- Connect连接（SelectionKey.OP_CONNECT）
- Accept准备就绪（OP_ACCEPT）
- Read读取（OP_READ）
- Write写入（OP_WRITE）
实现一个线程处理多个通道的核心概念理解：事件驱动机制。
非阻塞的网络通道下，开发者通过Selector注册对于通道感兴趣的事件类型，线程通过监听事件来触发相应的代码执行。（更底层是操作系统的多路复用机制）
客户端代码：
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
while (!socketChannel.finishConnect()) {
// 没连接上,则一直等待
Thread.yield();
}
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
System.out.println("请输入：");
// 发送内容
String msg = scanner.nextLine();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
// 读取响应
System.out.println("收到服务端响应:");
ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) {
// 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了)
if (requestBuffer.position() > 0) break;
}
requestBuffer.flip();// 读取完成后复位，准备读response
byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
requestBuffer.get(content);
System.out.println(new String(content));
scanner.close();
socketChannel.close();
}
}
服务器端代码：
/**
* 结合Selector实现的非阻塞服务端(放弃对channel的轮询,借助消息通知机制)
*/
public class NIOServerV2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 创建网络服务端ServerSocketChannel
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式
// 2. 构建一个Selector选择器,并且将channel注册上去
Selector selector = Selector.open();
SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, 0, serverSocketChannel);// 将serverSocketChannel注册到selector
selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); // 对serverSocketChannel上面的accept事件感兴趣(serverSocketChannel只能支持accept操作)
// 3. 绑定端口
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
System.out.println("启动成功");
while (true) {
// 不再轮询通道,改用下面轮询事件的方式.select方法有阻塞效果,直到有事件通知才会有返回
selector.select();// 选择已经准备好IO操作的通道
// 获取事件
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
// 遍历查询结果e
Iterator<SelectionKey> iter = selectionKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
// 被封装的查询结果
SelectionKey key = iter.next();
iter.remove();
// 关注 Read 和 Accept两个事件
if (key.isAcceptable()) {
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.attachment();
// 将拿到的客户端连接通道,注册到selector上面
SocketChannel clientSocketChannel = server.accept(); // mainReactor 轮询accept
clientSocketChannel.configureBlocking(false);
clientSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, clientSocketChannel);
System.out.println("收到新连接 : " + clientSocketChannel.getRemoteAddress());
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.attachment();
try {
ByteBuffer requestBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
while (socketChannel.isOpen() && socketChannel.read(requestBuffer) != -1) {
// 长连接情况下,需要手动判断数据有没有读取结束 (此处做一个简单的判断: 超过0字节就认为请求结束了)
if (requestBuffer.position() > 0) break;
}
if(requestBuffer.position() == 0) continue; // 如果没数据了, 则不继续后面的处理
requestBuffer.flip();
byte[] content = new byte[requestBuffer.limit()];
requestBuffer.get(content);
System.out.println(new String(content));
System.out.println("收到数据,来自：" + socketChannel.getRemoteAddress());
// TODO 业务操作 数据库 接口调用等等
// 响应结果 200
String response = "HTTP/1.1 200 OK\r\n" +
"Content-Length: 11\r\n\r\n" +
"Hello World";
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(response.getBytes());
while (buffer.hasRemaining()) {
socketChannel.write(buffer);
}
} catch (IOException e) {
// e.printStackTrace();
key.cancel(); // 取消事件订阅
}
}
}
selector.selectNow();
}
// 问题: 此处一个selector监听所有事件,一个线程处理所有请求事件. 会成为瓶颈! 要有多线程的运用
}
}
NIO对比BIO
如果程序需要支撑大量的连接，使用NIO是最好的方式。
Tomcat8中，已经完全去除BIO相关的网络处理代码，默认采用NIO进行网络处理。
NIO与多线程结合的改进方案
总结：
NIO为开发者提供了功能丰富及强大的IO处理API ， 但是在应用于网络应用开发的过程中，直接使用JDK提供的API， 比较繁琐。而且要想将性能进行提升， 光有NIO还不够， 还需要将多线程技术与之结合起来。
因为网络编程本身的复杂性， 以及JDK API开发的使用难度较高， 所以在开源社区中， 涌出来很多对JDK NIO 进行封装、增强后的网络编程框架， 例如： Netty、Mina 等。
AIO网络编程
- 服务器端：AsynchronousServerSocketChannel
- 客户端：AsynchronousSocketChannel
- 处理逻辑：实现CompletionHandler接口
AIO缺点：
- 实现复杂；
- Selector空轮询的bug；
- 可靠性差；
Netty
Netty是一个高性能、可扩展性的异步事件驱动的网络应用程序框架，它极大简化了TCP和UDP客户端和服务器开发等网络编程。
Netty重要的四个内容：
- Reactor线程模型：一种高性能的多线程程序设计思路
- Netty中自己定义的Channel概念：增强版的通道概念
- ChannelPipeline职责链设计模式：事件处理机制
- 内存管理：增强的ByteBuf缓冲区
Netty线程模型
为了让NIO更好的利用多线程特性，Netty实现了Reactor线程模型。
Reactor模型的四个核心概念：
- Resources资源（请求/任务）
- Synchronous Event Demutiplexer同步事件复用器
- Dispatcher分配器
- Request Handler请求处理器
EventLoopGroup初始化过程
EventLoop的启动
EventLoop自身实现了Executor接口，当调用executor方法提交任务时，则判断是否启动，未启动则调用内置的executor创建新线程来触发run方法执行。
Bind绑定端口的过程
Netty中的Channel概念
Netty中的Channel是一个抽象的概念，可以理解为对JDK NIO Channel的增强和扩展。增加了很多属性和方法。
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