1. Netty 介绍和应用场景

1.1 Netty 介绍

  1. Netty 是 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架
  2. Netty 是一个异步的，事件驱动的网络应用框架，可以快速开发高性能、高可靠的网络 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 场景下的大数据量持续传输的应用。
  4. Netty 本质是一个 NIO 框架，适用于服务端通讯相关的应用场景。

主要的应用场景：

  1. 互联网行业
    1. 分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，需要高可用的 RPC 框架，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被 RPC 框架使用
    2. 典型应用：阿里的分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间的通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为通信组件。
  2. 游戏行业
    1. Netty 作为高性能的基础通信组件，提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议，方便定制和开发私有协议栈、账号登录服务器
    2. 地图服务之间可以方便的通过 Netty 进行高性能通信
  3. 大数据领域
    1. 经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Aro 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 BIO 模型

2.1 I/O 模型

  • I/O 模型的简单理解：用什么样的通道进行数据的发送和接收，它很大程度上决定了程序通信的性能。
  • Java 共支持三种网络编程模式：BIO、NIO、AIO
    • BIO：同步阻塞，服务器实现模式为一个连接是一个线程，即客户端有连接请求时服务端需要启动一个线程进行处理，如果连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。示意图如下：
      • 适用场景：连接数目小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，JDK 1.4 之前的唯一选择。

image.png

  • 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），客户端请求的连接都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询，发现有 I/O 请求就进行处理。
    • 适用场景：适用于链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、服务间通讯等，编程比较复杂，JDK 1.4 开始支持

image.png

  • AIO：异步非阻塞，引入了异步通道的概念，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。
    • 适用场景：连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分掉用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。

      2.2 Java BIO 基本介绍

  • Java BIO 就是传统的 Java IO 编程，其相关类和接口在 java.io
  • BIO (blocking I/O):同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善（实现多个客户连接服务器）。

Java BIO 的工作机制

  1. 服务端启动一个 ServerSocket
  2. 客户端启动 Socket 对服务器进行通信，默认情况下需要对每个客户端建立一个线程与之通讯
  3. 客户端请求发出后，先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则等待，或者被拒绝
  4. 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行

2.3 Java 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
  • 使用线程池机制改善，可连接多个客户端

代码演示：

  1. package com.atguigu.bio;
  3. import java.io.InputStream;
  4. import java.net.ServerSocket;
  5. import java.net.Socket;
  6. import java.util.concurrent.ExecutorService;
  7. import java.util.concurrent.Executors;
  9. public class BIOServer {
  10.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  12.         //线程池机制
  14.         //思路
  15.         //1. 创建一个线程池
  16.         //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)
  18.         ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
  20.         //创建ServerSocket
  21.         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
  23.         System.out.println("服务器启动了");
  25.         while (true) {
  27.             System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
  28.             //监听，等待客户端连接
  29.             System.out.println("等待连接....");
  30.             final Socket socket = serverSocket.accept();
  31.             System.out.println("连接到一个客户端");
  33.             //就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
  34.             newCachedThreadPool.execute(() -> {
  35.                 //可以和客户端通讯
  36.                 handler(socket);
  37.             });
  38.         }
  39.     }
  41.     /**
  42.      * 编写一个handler方法，和客户端通讯
  43.      *
  44.      * @param socket
  45.      */
  46.     public static void handler(Socket socket) {
  48.         try {
  49.             System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
  50.             byte[] bytes = new byte[1024];
  51.             //通过socket 获取输入流
  52.             InputStream inputStream = socket.getInputStream();
  54.             //循环的读取客户端发送的数据
  55.             while (true) {
  56.                 System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());
  57.                 System.out.println("read....");
  59.                 int read = inputStream.read(bytes);
  60.                 if (read != -1) {
  61.                     //输出客户端发送的数据
  62.                     System.out.println(new String(bytes, 0, read));
  63.                 } else {
  64.                     break;
  65.                 }
  66.             }
  67.         } catch (Exception e) {
  68.             e.printStackTrace();
  69.         } finally {
  70.             System.out.println("关闭和client的连接");
  71.             try {
  72.                 socket.close();
  73.             } catch (Exception e) {
  74.                 e.printStackTrace();
  75.             }
  76.         }
  77.     }
  78. }

2.4 Java 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

3. Java NIO 编程

3.1 NIO 的基本介绍

  • 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。

NIO 的 Buffer

  1. public class BasicBuffer {
  2.     public static void main(String[] args) {
  4.         //举例说明 Buffer 的使用 (简单说明)
  5.         //创建一个Buffer, 大小为 5, 即可以存放5个int
  6.         IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
  8.         //向buffer 存放数据
  9. //        intBuffer.put(10);
  10. //        intBuffer.put(11);
  11. //        intBuffer.put(12);
  12. //        intBuffer.put(13);
  13. //        intBuffer.put(14);
  14.         for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
  15.             intBuffer.put(i * 2);
  16.         }
  18.         //如何从buffer读取数据
  19.         //将buffer转换，读写切换(!!!)
  20.         /*
  21.         public final Buffer flip() {
  22.         limit = position; //读数据不能超过5
  23.         position = 0;
  24.         mark = -1;
  25.         return this;
  26.     }
  27.          */
  28.         intBuffer.flip();
  29.         intBuffer.position(1);//1,2
  30.         System.out.println(intBuffer.get());
  31.         intBuffer.limit(4);
  32.         while (intBuffer.hasRemaining()) {
  33.             System.out.println(intBuffer.get());
  34.         }
  35.     }
  36. }

3.2 NIO 三大核心原理示意图

image.png

  • 每个 channel 都会对应一个 Buffer
  • Select 对应一个线程，一个 Select 对应多个 Channel（连接）
  • 程序切换到哪个 channel 是事件（Event）决定的，Select 根据不同的事件，在各个通道上切换
  • 数据的读写是通过 Buffer，它是双向的，可以读也可以写（BIO 中流是单向的），需要 **flip** 方法切换

3.3 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，如图:
image.png

Buffer 类及其子类

在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图:
image.png

  • ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区
  • ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区
  • CharBuffer，存储字符数据到缓冲区
  • IntBuffer，存储整数数据到缓冲区
  • LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区
  • DoubleBuffer，存储小数到缓冲区
  • FloatBuffer，存储小数到缓冲区

Buffer类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息：

  1. // Invariants: mark <= position <= limit <= capacity
  2. private int mark = -1;
  3. private int position = 0;
  4. private int limit;
  5. private int capacity;
属性 描述
Capacity 容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变
Limit 表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的
Position 位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变改值，为下次读写作准备
Mark 标记

Buffer 类相关方法一览

  1. public abstract class Buffer {
  2.     //JDK1.4时，引入的api
  3.     public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量
  4.     public final int position( )//返回此缓冲区的位置
  5.     public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置
  6.     public final int limit( )//返回此缓冲区的限制
  7.     public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制
  8.     public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记
  9.     public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
  10.     public final Buffer clear( )//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态，但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
  11.     public final Buffer flip( )//反转此缓冲区
  12.     public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区
  13.     public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数
  14.     public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素
  15.     public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
  17.     //JDK1.6时引入的api
  18.     public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
  19.     public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组
  20.     public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
  21.     public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
  22. }

ByteBuffer

从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型(boolean除外)，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是 ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下：

  1. public abstract class ByteBuffer {
  2.     //缓冲区创建相关api
  3.     public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity)//创建直接缓冲区
  4.     public static ByteBuffer allocate(int capacity)//设置缓冲区的初始容量
  5.     public static ByteBuffer wrap(byte[] array)//把一个数组放到缓冲区中使用
  6.     //构造初始化位置offset和上界length的缓冲区
  7.     public static ByteBuffer wrap(byte[] array,int offset, int length)
  8.      //缓存区存取相关API
  9.     public abstract byte get( );//从当前位置position上get，get之后，position会自动+1
  10.     public abstract byte get (int index);//从绝对位置get
  11.     public abstract ByteBuffer put (byte b);//从当前位置上添加，put之后，position会自动+1
  12.     public abstract ByteBuffer put (int index, byte b);//从绝对位置上put
  13.  }

3.4 通道（Channel）

（1）NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

  • 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
  • 通道可以实现异步读写数据
  • 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲

（2）BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道（Channel）是双向的，可以读操作，也可以写操作。
（3）Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
（4）常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。

  • 【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

（5）FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

FileChannel 类

FileChannel 主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

  • public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
  • public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
  • public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
  • public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

使用实例

本地文件写数据

  1. public class NIOFileChannel01 {
  3.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  5.         String str = "hello,尚硅谷";
  6.         //创建一个输出流->channel
  7.         FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/Users/zhangchuanqiang/Downloads/file01.txt");
  9.         //通过 fileOutputStream 获取 对应的 FileChannel
  10.         //这个 fileChannel 真实 类型是  FileChannelImpl
  11.         FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();
  13.         //创建一个缓冲区 ByteBuffer
  14.         ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  16.         //将 str 放入 byteBuffer
  17.         byteBuffer.put(str.getBytes());
  20.         //对byteBuffer 进行flip
  21.         byteBuffer.flip();
  23.         //将byteBuffer 数据写入到 fileChannel
  24.         fileChannel.write(byteBuffer);
  25.         fileOutputStream.close();
  27.     }
  28. }

本地文件读数据

  1. public class NIOFileChannel02 {
  2.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  4.         //创建文件的输入流
  5.         File file = new File("/Users/zhangchuanqiang/Downloads/file01.txt");
  6.         FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
  8.         //通过fileInputStream 获取对应的FileChannel -> 实际类型  FileChannelImpl
  9.         FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
  11.         //创建缓冲区
  12.         ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
  14.         //将 通道的数据读入到Buffer
  15.         fileChannel.read(byteBuffer);
  17.         //将byteBuffer 的 字节数据 转成String
  18.         System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
  19.         fileInputStream.close();
  21.     }
  22. }

使用一个 Buffer 完成文件读写
image.png

  1. public class NIOFileChannel03 {
  2.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  4.         FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
  5.         FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();
  7.         FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
  8.         FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();
  10.         ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
  12.         while (true) { //循环读取
  14.             //这里有一个重要的操作，一定不要忘了
  15.             /*
  16.              public final Buffer clear() {
  17.                 position = 0;
  18.                 limit = capacity;
  19.                 mark = -1;
  20.                 return this;
  21.             }
  22.              */
  23.             byteBuffer.clear(); //清空buffer
  24.             int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
  25.             System.out.println("read =" + read);
  26.             if (read == -1) { //表示读完
  27.                 break;
  28.             }
  29.             //将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txt
  30.             byteBuffer.flip();
  31.             fileChannel02.write(byteBuffer);
  32.         }
  34.         //关闭相关的流
  35.         fileInputStream.close();
  36.         fileOutputStream.close();
  37.     }
  38. }

拷贝文件 transferFrom 方法

  1. public class NIOFileChannel04 {
  2.     public static void main(String[] args)  throws Exception {
  4.         //创建相关流
  5.         FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg");
  6.         FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg");
  8.         //获取各个流对应的filechannel
  9.         FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
  10.         FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();
  12.         //使用transferForm完成拷贝
  13.         destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());
  14.         //关闭相关通道和流
  15.         sourceCh.close();
  16.         destCh.close();
  17.         fileInputStream.close();
  18.         fileOutputStream.close();
  19.     }
  20. }

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

  • ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get。put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。

  • 可以将一个普通 buffer 转成只读 buffer

    1. public class ReadOnlyBuffer {
    2.   public static void main(String[] args) {
    4.       //创建一个buffer
    5.       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);
    7.       for (int i = 0; i < 64; i++) {
    8.           buffer.put((byte) i);
    9.       }
    11.       //读取
    12.       buffer.flip();
    14.       //得到一个只读的Buffer
    15.       ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
    16.       System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());
    18.       //读取
    19.       while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
    20.           System.out.println(readOnlyBuffer.get());
    21.       }
    22.       // ReadOnlyBufferException
    23.       readOnlyBuffer.put((byte) 100);
    24.   }
    25. }

  • NIO 还提供了 MappedByteBuffer， 可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改， 而如何同步到文件由 NIO 来完成

    1. /**
    2. * 说明
    3. * 1. MappedByteBuffer 可让文件直接在内存(堆外内存)修改, 操作系统不需要拷贝一次
    4. */
    5. public class MappedByteBufferTest {
    6.   public static void main(String[] args) throws Exception {
    8.       RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
    9.       //获取对应的通道
    10.       FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
    12.       /**
    13.        * 参数1: FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式
    14.        * 参数2： 0 ： 可以直接修改的起始位置
    15.        * 参数3:  5: 是映射到内存的大小(不是索引位置) ,即将 1.txt 的多少个字节映射到内存
    16.        * 可以直接修改的范围就是 0-5
    17.        * 实际类型 DirectByteBuffer
    18.        */
    19.       MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 10);
    21.       mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
    22.       mappedByteBuffer.put(3, (byte) 'l');
    23.       mappedByteBuffer.put(5, (byte) '1');//IndexOutOfBoundsException
    25.       randomAccessFile.close();
    26.       System.out.println("修改成功~~");
    27.   }
    28. }

  • 前面的读写操作，都是通过一个 Buffer 完成的，NIO 还支持通过多个 Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering 

    1. /**
    2. * Scattering：将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入  [分散]
    3. * Gathering: 从buffer读取数据时，可以采用buffer数组，依次读 [聚合]
    4. */
    5. public class ScatteringAndGatheringTest {
    7.   public static void main(String[] args) throws Exception {
    9.       //使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 网络
    11.       ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    12.       InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);
    14.       //绑定端口到socket ，并启动
    15.       serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
    17.       //创建buffer数组
    18.       ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
    19.       byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
    20.       byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);
    22.       //等客户端连接(telnet)
    23.       SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    24.       //假定从客户端接收8个字节
    25.       int messageLength = 8;
    27.       //循环的读取
    28.       while (true) {
    30.           int byteRead = 0;
    32.           while (byteRead < messageLength) {
    33.               long l = socketChannel.read(byteBuffers);
    34.               //累计读取的字节数
    35.               byteRead += l;
    36.               System.out.println("byteRead=" + byteRead);
    37.               //使用流打印, 看看当前的这个 buffer 的 position 和 limit
    38.               Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "postion=" + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out::println);
    39.           }
    41.           //将所有的buffer进行flip
    42.           Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip());
    44.           //将数据读出显示到客户端
    45.           long byteWirte = 0;
    46.           while (byteWirte < messageLength) {
    47.               long l = socketChannel.write(byteBuffers);
    48.               byteWirte += l;
    49.           }
    51.           //将所有的buffer 进行clear
    52.           Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.clear());
    54.           System.out.println("byteRead:=" + byteRead + " byteWrite=" + byteWirte + ", messagelength" + messageLength);
    55.       }
    56.   }
    57. }

    3.5 选择器（Selector）

    image.png
    特点再说明: :::info

  • Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器，也叫多路复用器)，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。

  • 当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
  • 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
  • 由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
  • 一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。 :::

    Selector 的相关方法

    Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:
    1. public abstract class Selector implements Closeable { 
    2.   public static Selector open();  //得到一个选择器对象
    3.   public int select(long timeout); //监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将
    4.   对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间
    5.   public Set<SelectionKey> selectedKeys();  //从内部集合中得到所有的 SelectionKey    
    6. }
    image.png

selector 相关方法说明

  1. selector.select() //阻塞
  2. selector.select(1000); //阻塞1000毫秒，在1000毫秒后返回
  3. selector.wakeup(); //唤醒selector
  4. selector.selectNow(); //不阻塞，立马返还

3.6 NIO 非阻塞 网络编程原理分析图

NIO 非阻塞 网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 关系梳理图
image.png

  1. 当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
  2. Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.
  3. 将 socketChannel 注册到 Selector上, register(Selector sel, int ops)，一个 selector 上可以注册多个 SocketChannel
  4. 注册后返回一个 SelectionKey, 会和该 Selector 关联(集合)，进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
  5. 再通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel() 可以通过得到的 channel , 完成业务处理

3.7 SelectionKey

SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系, 共四种:

  • int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16
  • int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8
  • int OP_READ：代表读操作，值为 1
  • int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

源码中：

  1. public static final int OP_READ = 1 << 0; 
  2. public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
  3. public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
  4. public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

SelectionKey 相关方法

  1. public abstract class SelectionKey {
  2.     public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象
  3.     public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道
  4.     public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据
  5.     public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件
  6.     public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept
  7.     public final boolean isReadable();//是否可以读
  8.     public final boolean isWritable();//是否可以写
  9. }

image.png

3.8 ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接，相关方法如下：

  1. public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements NetworkChannel{
  2.     public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道
  3.     public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号
  4.     public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式
  5.     public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象
  6.     public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件
  7. }

3.9 NIO 网络编程实例：群聊系统

服务端代码

  1. public class GroupChatServer {
  3.     private Selector selector;
  4.     private ServerSocketChannel listenChannel;
  5.     private static final int PORT = 6667;
  7.     /**
  8.      * 构造器 初始化工作
  9.      */
  10.     public GroupChatServer() {
  12.         try {
  13.             //得到选择器
  14.             selector = Selector.open();
  15.             //ServerSocketChannel
  16.             listenChannel = ServerSocketChannel.open();
  17.             //绑定端口
  18.             listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
  19.             //设置非阻塞模式
  20.             listenChannel.configureBlocking(false);
  21.             //将该listenChannel 注册到selector
  22.             listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  23.         } catch (IOException e) {
  24.             e.printStackTrace();
  25.         }
  26.     }
  28.     /**
  29.      * 监听
  30.      */
  31.     private void listen() {
  33.         System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
  34.         try {
  35.             //循环处理
  36.             while (true) {
  37.                 // 阻塞，监控所有的注册通道。当其中有IO操作可以进行时，将对应的 SelectionKey 加入内部集合并返回。
  38.                 int count = selector.select();
  39.                 if (count > 0) { // 有事件处理
  40.                     //遍历得到 selectionKey 集合
  41.                     Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
  42.                     while (iterator.hasNext()) {
  43.                         //取出 selectionKey
  44.                         SelectionKey key = iterator.next();
  46.                         //监听到accept
  47.                         if (key.isAcceptable()) {
  48.                             SocketChannel sc = listenChannel.accept();
  49.                             sc.configureBlocking(false);
  50.                             //将该 sc 注册到 seletor
  51.                             sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  53.                             //提示
  54.                             System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
  56.                         }
  57.                         // 通道发送 read 事件，即通道是可读的状态
  58.                         if (key.isReadable()) {
  59.                             // 处理读
  60.                             readData(key);
  61.                         }
  62.                         //当前的key 删除，防止重复处理
  63.                         iterator.remove();
  64.                     }
  65.                 } else {
  66.                     System.out.println("等待....");
  67.                 }
  68.             }
  69.         } catch (Exception e) {
  70.             e.printStackTrace();
  71.         } finally {
  72.             //发生异常处理....
  73.         }
  74.     }
  76.     /**
  77.      * 读取客户端消息
  78.      *
  79.      * @param key
  80.      */
  81.     private void readData(SelectionKey key) {
  83.         //取到关联的 channle
  84.         SocketChannel channel = null;
  86.         try {
  87.             //得到channel
  88.             channel = (SocketChannel) key.channel();
  89.             //创建buffer
  90.             ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  92.             int count = channel.read(buffer);
  93.             //根据count的值做处理
  94.             if (count > 0) {
  95.                 //把缓存区的数据转成字符串
  96.                 String msg = new String(buffer.array());
  97.                 //输出该消息
  98.                 System.out.println("form 客户端: " + msg);
  100.                 //向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理
  101.                 sendInfoToOtherClients(msg, channel);
  102.             }
  103.         } catch (IOException e) {
  104.             try {
  105.                 System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
  106.                 //取消注册
  107.                 key.cancel();
  108.                 //关闭通道
  109.                 channel.close();
  110.             } catch (IOException e2) {
  111.                 e2.printStackTrace();
  112.             }
  113.         }
  114.     }
  116.     /**
  117.      * 转发消息给其它客户(通道)
  118.      *
  119.      * @param msg
  120.      * @param self
  121.      * @throws IOException
  122.      */
  123.     private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self) throws IOException {
  125.         System.out.println("服务器转发消息中...");
  126.         System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
  127.         //遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
  128.         for (SelectionKey key : selector.keys()) {
  130.             //通过 key  取出对应的 SocketChannel
  131.             Channel targetChannel = key.channel();
  133.             //排除自己
  134.             if (targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
  136.                 //转型
  137.                 SocketChannel dest = (SocketChannel) targetChannel;
  138.                 //将msg 存储到buffer
  139.                 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
  140.                 //将buffer 的数据写入 通道
  141.                 dest.write(buffer);
  142.             }
  143.         }
  144.     }
  146.     public static void main(String[] args) {
  147.         //创建服务器对象
  148.         GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
  149.         groupChatServer.listen();
  150.     }
  151. }
  153. //可以写一个Handler
  154. class MyHandler {
  155.     public void readData() {
  157.     }
  159.     public void sendInfoToOtherClients() {
  161.     }
  162. }

客户端代码：

  1. public class GroupChatClient {
  3.     //定义相关的属性
  4.     private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
  5.     private final int PORT = 6667; //服务器端口
  6.     private Selector selector;
  7.     private SocketChannel socketChannel;
  8.     private String username;
  10.     /**
  11.      * 构造器, 完成初始化工作
  12.      *
  13.      * @throws IOException
  14.      */
  15.     public GroupChatClient() throws IOException {
  17.         selector = Selector.open();
  18.         //连接服务器
  19.         socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(HOST, PORT));
  20.         //设置非阻塞
  21.         socketChannel.configureBlocking(false);
  22.         //将channel 注册到selector
  23.         socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
  24.         //得到username
  25.         username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
  26.         System.out.println(username + " is ok...");
  28.     }
  30.     /**
  31.      * 向服务器发送消息
  32.      *
  33.      * @param info
  34.      */
  35.     public void sendInfo(String info) {
  37.         info = username + " 说：" + info;
  39.         try {
  40.             socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
  41.         } catch (IOException e) {
  42.             e.printStackTrace();
  43.         }
  44.     }
  46.     //读取从服务器端回复的消息
  47.     public void readInfo() {
  49.         try {
  51.             int readChannels = selector.select();
  52.             if (readChannels > 0) {//有可以用的通道
  53.                 Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
  54.                 while (iterator.hasNext()) {
  56.                     SelectionKey key = iterator.next();
  57.                     if (key.isReadable()) {
  58.                         //得到相关的通道
  59.                         SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
  60.                         //得到一个Buffer
  61.                         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
  62.                         //读取
  63.                         sc.read(buffer);
  64.                         //把读到的缓冲区的数据转成字符串
  65.                         String msg = new String(buffer.array());
  66.                         System.out.println(msg.trim());
  67.                     }
  68.                 }
  69.                 iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
  70.             } else {
  71.                 System.out.println("没有可以用的通道...");
  72.             }
  74.         } catch (Exception e) {
  75.             e.printStackTrace();
  76.         }
  77.     }
  79.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  81.         //启动我们客户端
  82.         GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();
  84.         //启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
  85.         new Thread(() -> {
  86.             while (true) {
  87.                 chatClient.readInfo();
  88.                 try {
  89.                     Thread.sleep(3000);
  90.                 } catch (InterruptedException e) {
  91.                     e.printStackTrace();
  92.                 }
  93.             }
  94.         }).start();
  96.         //发送数据给服务器端
  97.         Scanner scanner = new Scanner(System.in);
  99.         while (scanner.hasNextLine()) {
  100.             String s = scanner.nextLine();
  101.             chatClient.sendInfo(s);
  102.         }
  103.     }
  104. }

3.10 NIO 与零拷贝

传统 IO 数据读写 

  1. File file = new File("test.txt");
  2. RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
  4. byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
  5. raf.read(arr);
  7. Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
  8. socket.getOutputStream().write(arr);

image.png
DMA: direct memory access 直接内存拷贝(不使用CPU)

mmap 优化

mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数。如下图:
image.png

sendFile 优化

Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：

数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

零拷贝从操作系统角度，是没有cpu 拷贝

image.png
Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图和小结：
image.png
这里其实有 一次cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer
但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略

零拷贝的再次理解 :::info

  • 我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据）。
  • 零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。 :::

mmap 和 sendFile 的区别 :::info

  • mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
  • mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
  • sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。 :::

NIO 零拷贝案例

案例要求：

  • 使用传统的 IO 方法传递一个大文件
  • 使用 NIO 零拷贝方式传递(transferTo)一个大文件
  • 看看两种传递方式耗时时间分别是多少

OldIOServer & OldIOClient

  1. //java IO 的服务器
  2. public class OldIOServer {
  4.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  5.         ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);
  7.         while (true) {
  8.             Socket socket = serverSocket.accept();
  9.             DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
  11.             try {
  12.                 byte[] byteArray = new byte[4096];
  14.                 while (true) {
  15.                     int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);
  17.                     if (-1 == readCount) {
  18.                         break;
  19.                     }
  20.                 }
  21.             } catch (Exception ex) {
  22.                 ex.printStackTrace();
  23.             }
  24.         }
  25.     }
  26. }
  28. public class OldIOClient {
  30.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  31.         Socket socket = new Socket("localhost", 7001);
  33.         String fileName = "protoc-3.6.1-win32.zip";
  34.         InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);
  36.         DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
  38.         byte[] buffer = new byte[4096];
  39.         long readCount;
  40.         long total = 0;
  42.         long startTime = System.currentTimeMillis();
  44.         while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {
  45.             total += readCount;
  46.             dataOutputStream.write(buffer);
  47.         }
  49.         System.out.println("发送总字节数： " + total + ", 耗时： " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
  51.         dataOutputStream.close();
  52.         socket.close();
  53.         inputStream.close();
  54.     }
  55. }

NewIOServer & NewIOClient

  1. //服务器
  2. public class NewIOServer {
  3.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  5.         InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);
  7.         ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
  9.         ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
  11.         serverSocket.bind(address);
  13.         //创建buffer
  14.         ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
  16.         while (true) {
  17.             SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
  19.             int readcount = 0;
  20.             while (-1 != readcount) {
  21.                 try {
  23.                     readcount = socketChannel.read(byteBuffer);
  25.                 } catch (Exception ex) {
  26.                     break;
  27.                 }
  28.                 byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
  29.             }
  30.         }
  31.     }
  32. }
  34. public class NewIOClient {
  35.     public static void main(String[] args) throws Exception {
  37.         SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
  38.         socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
  39.         String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";
  41.         //得到一个文件channel
  42.         FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();
  44.         //准备发送
  45.         long startTime = System.currentTimeMillis();
  47.         //在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输
  48.         //在windows 下 一次调用 transferTo 只能发送8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要
  49.         //传输时的位置 =》 课后思考...
  50.         //transferTo 底层使用到零拷贝
  51.         long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
  53.         System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
  55.         //关闭
  56.         fileChannel.close();
  57.     }
  58. }

4. Java AIO 介绍

JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor 和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理

AIO 即 NIO 2.0，叫做异步不阻塞的 IO。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。

目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于NIO, 而不是AIO， 因此我们就不详解AIO了，有兴趣的同学可以参考 <> http://www.52im.net/thread-306-1-1.html