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一、Java IO概述

1、Netty介绍和应用场景

1.1、Netty介绍

1. Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架，现为Github上的独立项目
2. Netty是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络IO程序
3. Netty主要针对在TCP协议下，面向Clients端的高并发应用，或者Peer-to-Peer场景下的大量数据持续传输的应用。
4. Netty本质是一个NIO框架，适用于服务器通讯相关的多种应用场景
5. 要透彻理解Netty ， 需要先学习 NIO ， 这样我们才能阅读 Netty 的源码。

   1.2、Netty的应用场景

• 互联网行业
  • 分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的RPC框架必不可少，Netty作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用
  • 典型的应用有：阿里分布式服务框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo协议进行节点间通信，Dubbo协议进行节点间通信，Dubbo协议默认使用Netty作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信
• 游戏行业
  • 无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用
  • Netty 作为高性能的基础通信组件，提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈，方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器
  • 地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信

• 大数据领域

  • 经典的 Hadoop的高性能通信和序列化组件Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信
  • 它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。
    

    2、Java IO模型介绍

    2.1、I/O模型基本说明

• I/O 模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能
  

• Java共支持3种网络编程模型IO模式：BIO、NIO、AIO
  
• Java BIO ： 同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销
  
  
• Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理
  
  

• Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用
  

  2.2、I/O模型使用场景分析

• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。

• NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。

• AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

  3、BIO 工作机制

  

  3.1、BIO编程简单流程（Socket编程）

• 服务器端启动一个ServerSocket
  

• 客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户 建立一个线程与之通讯
  
• 客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝
  

• 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行
  

  3.2、BIO 应用实例

  实例说明

• 使用BIO模型编写一个服务器端，监听6666端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通讯。
  

• 要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端.
  
• 服务器端可以接收客户端发送的数据(通过cmd的telnet 方式即可)。
  

  实例代码

  public class BIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //1、创建一个线程池
        //2、如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯（单独写一个方法）
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了");
        while (true) {
            System.out.println("线程信息：id= "+ Thread.currentThread().getId() + "; 线程名字：" + Thread.currentThread().getName());
            //监听，等待客户端连接
            System.out.println("等待连接");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            //创建一个线程，与之通讯
            executorService.execute(() -> {
                //重写Runnable方法，与客户端进行通讯
                handler(socket);
            });
        }
    }
    //编写一个Handler方法，和客户端通讯
    public static void handler(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程信息：id= "+ Thread.currentThread().getId() + "; 线程名字：" + Thread.currentThread().getName());
            byte[] bytes = new byte[1024];
            //通过socket获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            //循环的读取客户端发送的数据
            while (true){
                System.out.println("线程信息：id= "+ Thread.currentThread().getId() + "; 线程名字：" + Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("read....");
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1){
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));//输出客户端发送的数据
                } else {
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
  }

  服务端主线程会阻塞在 serverSocket.accept() 这个方法处，当有新的客户端发起请求时，主线程通过线程池调用新线程与其通信，每个通信线程会阻塞在 socket.getInputStream() 这个方法处。这就是阻塞这两个字的含义所在

BIO 问题分析

• 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write 。
  
• 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
  

• 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费
  

  4、NIO编程

  4.1、NIO基本介绍

• Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的
  

• NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
  
  
• NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
  
• NIO是 面向缓冲区 ，或者面向 块 编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
  
• Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。
  
• 通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
  

• HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。
  

  4.2、NIO 和 BIO 的比较

• BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多
  

• BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
  

• BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)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。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

  二、NIO详解

  关键词：Buffer、Channel、SelectionKey、Selector、事件
  Buffer：

• 缓存数组，就是一个内存块，底层用数组实现

• 与Channel进行数据的读写。
• 数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO 一样, 而BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换。

Channel：

• 通信通道，每个客户端连接都会建立一个Channel通道
• 我的理解是：客户端直接与Channel进行通信，当客户端发送消息时，消息就流通到Channel里面，本地程序需要将Channel里面的数据存放在Buffer里面，才可以查看；当本地需要发送消息时，先把消息存在Buffer里面，再将Buffer里面的数据放入Channel，数据就流通到了客户端
• 总而言之：Buffer就是本地程序与Channel数据交换的一个中间媒介。

SelectionKey、Selector：

• NIO之所以是非阻塞的，关键在于它一个线程可以同时处理多个客户端的通信。而Selector就是它一个线程如何处理多个客户端通信的关键，一个Selector就对应一个线程

• 首先在创建与客户端连接的Channel时，应该调用 Channel.register()方法，将Channel注册到一个Selector上面。调用该方法后，会返回一个SelectionKey对象，该对象与Channel是一一对应的。而Selector则通过管理SelectionKey的集合间接的去管理各个Channel。示例图如下：

• Selector具体是如何管理这么多个通信的呢？这就引出了事件。

事件、以及NIO的工作流程介绍

• 事件：当将Channel绑定到Selector上面时，必须同时为该Channel声明一个监听该Channel的事件（由Channel和该Channel的事件一起组成了SelectionKey），并将SelectionKey加入到Selector的Set集合中去
• 当有客户端建立连接或者进行通信，会在对应的各个Channel中产生不同的事件。
• Selector会一直监听所有的事件，当他监听到某个SelectionKey中有事件产生时，会将所有产生事件的SelectionKey统一加入到一个集合中去
• 而我们则需要获取到这个集合，首先对集合中的各个SelectionKey进行判断，判断它产生的是什么事件，再根据不同的事件进行不同的处理。

• 在操作这个SelectionKey集合的时候，其实我们就是在一个线程里面对几个不同客户端的连接进行操作。具体的关系图如下：

  

  1、缓冲区（Buffer）

  1.1、基本介绍

  缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象（含数组），该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由Buffer。
  

  1.2、Buffer类介绍

  

• 基类是Buffer抽象类

• 基类派生出基于基本数据类型的7个xxxBuffer 抽象类，没有boolean相关的buffer类。
• 除了ByteBuffer外，每个基本数据的抽象类 xxxBuffer 类下面都派生出转向 ByteBuffer 的类 ByteBufferXxxAsBufferL 和 ByteBufferAsXxxBufferB实现类；以及 DirectXxxBufferU 和 DirectXxxBufferS 和 HeapXxxBuffer==（具体实例对象类）==这五个类。
• 就只有抽象类CharBuffer 派生出了第六个类StringCharBuffer。
• ByteBuffer只派生出了 HeapByteBuffer 和 MappedByteBufferR 两个类
• 类图如下：

1.2.1、Buffer类主要属性