Netty学习笔记_day01 IO模型

前言

Netty是一个非阻塞I/O客户端-服务器框架，主要用于开发Java网络应用程序，如协议服务器和客户端。异步事件驱动的网络应用程序框架和工具用于简化网络编程，例如TCP和UDP套接字服务器。Netty包括了反应器编程模式的实现。Netty最初由JBoss开发，现在由Netty项目社区开发和维护。
除了作为异步网络应用程序框架，Netty还包括了对HTTP、HTTP2、DNS及其他协议的支持，涵盖了在Servlet容器内运行的能力、对WebSockets的支持、与Google Protocol Buffers的集成、对SSL/TLS的支持以及对用于SPDY协议和消息压缩的支持。自2004年以来，Netty一直在被积极开发。
从版本4.0.0开始，Netty在支持NIO和阻塞Java套接字的同时，还支持使用NIO.2作为后端。

1. BIO(Blocking IO)

同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程

BIO 代码示例：

package com.xiaobai.bio;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class SocketServer {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);
        while (true) {
    
    
            System.out.println("等待连接。。");
            //阻塞方法
            Socket clientSocket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接了。。");
            handler(clientSocket);

            /*new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        handler(clientSocket);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();*/
        }
    }

    private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {
    
    
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("准备read。。");
        //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞
        int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("read完毕。。");
        if (read != -1) {
    
    
            System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read));
        }
        clientSocket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes());
        clientSocket.getOutputStream().flush();
    }
}

//客户端代码
public class SocketClient {
    
    
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    
        Socket socket = new Socket("localhost", 9000);
        //向服务端发送数据
        socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes());
        socket.getOutputStream().flush();
        System.out.println("向服务端发送数据结束");
        byte[] bytes = new byte[1024];
        //接收服务端回传的数据
        socket.getInputStream().read(bytes);
        System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes));
        socket.close();
    }
}

缺点：

1. IO 代码里的 read 操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源
2. 如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如 C10K 问题

应用场景：

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，但程序简单易理解

2. NIO(Non Blocking IO)

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接)，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器 selector 上，多路复用器轮询到连接有 IO 请求就进行处理，JDK1.4 开始引入。

应用场景：

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，变成比较复杂

NIO 非阻塞代码示例：

package com.xiaobai.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class NioServer {
    
    

    // 保存客户端连接
    static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    
    

        // 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
    
    
            // 非阻塞模式accept方法不会阻塞，否则会阻塞
            // NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数
            SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();
            if (socketChannel != null) {
    
     // 如果有客户端进行连接
                System.out.println("连接成功");
                // 设置SocketChannel为非阻塞
                socketChannel.configureBlocking(false);
                // 保存客户端连接在List中
                channelList.add(socketChannel);
            }
            // 遍历连接进行数据读取
            Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
    
    
                SocketChannel sc = iterator.next();
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                // 非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞
                int len = sc.read(byteBuffer);
                // 如果有数据，把数据打印出来
                if (len > 0) {
    
    
                    System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                } else if (len == -1) {
    
     // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉
                    iterator.remove();
                    System.out.println("客户端断开连接");
                }
            }
        }
    }
}

总结：

如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有 10000 个连接，其中只有 1000 个连接有写数据，但是由于其他 9000 个连接并没有断开，还是每次轮询遍历一万次，其中有十分之九的遍历都是无效的，这显然不是一个让人满意的状态。

NIO 引入多路复用器代码示例：

package com.xiaobai.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NioSelectorServer {
    
    

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
    
    

        // 创建NIO ServerSocketChannel
        ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));
        // 设置ServerSocketChannel为非阻塞
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 打开Selector处理Channel，即创建epoll
        Selector selector = Selector.open();
        // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣
        serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("服务启动成功");

        while (true) {
    
    
            // 阻塞等待需要处理的事件发生
            selector.select();

            // 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();

            // 遍历SelectionKey对事件进行处理
            while (iterator.hasNext()) {
    
    
                SelectionKey key = iterator.next();
                // 如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册
                if (key.isAcceptable()) {
    
    
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    // 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    System.out.println("客户端连接成功");
                } else if (key.isReadable()) {
    
      // 如果是OP_READ事件，则进行读取和打印
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
                    int len = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 如果有数据，把数据打印出来
                    if (len > 0) {
    
    
                        System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));
                    } else if (len == -1) {
    
     // 如果客户端断开连接，关闭Socket
                        System.out.println("客户端断开连接");
                        socketChannel.close();
                    }
                }
                //从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理
                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

NIO 有三大核心组件：Channel(通道)，Buffer(缓冲区)，Selector(多路复用器)

channel 类似于流，每个 channel 对应一个 buffer 缓冲区，buffer 底层就是个数组
channel 会注册到 selector 上，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理
NIO 的 Buffer 和 channel 都是既可以读也可以写

NIO 底层在 JDK1.4 版本是用 linux 的内核函数 select()或 poll()来实现，跟上面的 NioServer 代码类似，selector每次都会轮询所有的 sockchannel 看下哪个 channel 有读写事件，有的话就处理，没有就继续遍历，JDK1.5 开始引入了 epoll基于事件响应机制来优化 NIO

NioSelectorServer 代码里如下几个方法非常重要，从 Hotspot 与 Linux 内核函数级别来理解下:

Selector.open()  //创建多路复用器
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ)  //将channel注册到多路复用器上
selector.select()  //阻塞等待需要处理的事件发生

总结：

NIO 整个调用流程就是 Java 调用了操作系统的内核函数来创建 Socket，获取到 Socket 的文件描述符，再创建一个 Selector 对象，对应操作系统的 Epoll 描述符，将获取到的 Socket 连接的文件描述符的事件绑定到 Selector 对应的 Epoll 文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用了一条线程，并且不需要太多的无效的遍历，将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断程序实现)，大大提高了效率。

2.1 Epoll 函数详解

int epoll_create(int size);

创建一个 epoll 实例，并返回一个非负数作为文件描述符，用于对 epoll 接口的所有后续调用。参数 size 代表可能会容纳 size 个描述符，但 size 不是一个最大值，只是提示操作系统它的数量级，现在这个参数基本上已经弃用了。

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

使用文件描述符 epfd 引用的 epoll 实例，对目标文件描述符 fd 执行 op 操作。

参数 epfd 表示 epoll 对应的文件描述符，参数 fd 表示 socket 对应的文件描述符。

参数 op 有以下几个值：

EPOLL_CTL_ADD：注册新的 fd 到 epfd 中，并关联事件 event；

EPOLL_CTL_MOD：修改已经注册的 fd 的监听事件；

EPOLL_CTL_DEL：从 epfd 中移除 fd，并且忽略掉绑定的 event，这时 event 可以为 null；

参数 event 是一个结构体。

struct epoll_event {
    
    
	    __uint32_t   events;      /* Epoll events */
	    epoll_data_t data;        /* User data variable */
	};
	
	typedef union epoll_data {
    
    
	    void        *ptr;
	    int          fd;
	    __uint32_t   u32;
	    __uint64_t   u64;
	} epoll_data_t;

events 有很多可选值，最常见的几个：

EPOLLIN：表示对应的文件描述符是可读的；

EPOLLOUT：表示对应的文件描述符是可写的；

EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生了错误；

成功则返回 0，失败返回-1

int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);

等待文件描述符 epfd 上的时间。

epfd 是 Epoll 对应的文件描述符，events 表示调用者所有可用事件的集合，maxevents 表示最多等到多少个事件就返回，timeout 是超时时间。

IO 多路复用高低层主要用的 Linux 内核函数(select,poll,epoll)来实现，windows 不支持 epoll实现，windows 底层是基于 winsock2 的 select函数实现的(不开源)。

	select	poll	epoll(jdk 1.5及以上)
操作方式	遍历	遍历	回调
底层实现	数组	链表	哈希表
IO效率	每次调用都进行线性遍历，时间复杂度为O(n)	每次调用都进行线性遍历，时间复杂度为O(n)	事件通知方式，每当有IO事件就绪，系统注册的回调函数就会被调用，时间复杂度O(1)
最大连接	有上限	无上限	无上限

2.1.1 Redis 线程模型

Redis 就是典型的基于 epoll 的 NIO 线程模型(Nginx 也是)，epoll 实例收集所有事件(连接与读写事件)，
由一个服务端线程连续处理所有事件命令。

Redis 底层关于 epoll 的源码实现在 redis 的 src 源码目录的 ae_epoll.c 文件里。

3. AIO(NIO 2.0)

异步非阻塞，由操作系统完成后回调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

应用场景：

AIO 方式适用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构，JDK7 开始支持

AIO 代码示例：

package com.xiaobai.aio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

public class AIOServer {
    
    

    public static void main(String[] args) throws Exception {
    
    
        final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
                AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));

        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
    
    
            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {
    
    
                try {
    
    
                    System.out.println("2--"+Thread.currentThread().getName());
                    // 再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端
                    serverChannel.accept(attachment, this);
                    System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
    
    
                        @Override
                        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
    
    
                            System.out.println("3--"+Thread.currentThread().getName());
                            buffer.flip();
                            System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
                            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));
                        }

                        @Override
                        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
    
    
                            exc.printStackTrace();
                        }
                    });
                } catch (IOException e) {
    
    
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
    
    
                exc.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println("1--"+Thread.currentThread().getName());
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

package com.xiaobai.aio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

public class AIOClient {
    
    

    public static void main(String... args) throws Exception {
    
    
        AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();
        socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        Integer len = socketChannel.read(buffer).get();
        if (len != -1) {
    
    
            System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));
        }
    }
}

为什么 Netty 使用 NIO 而不是 AIO?

在 Linux 系统上，AIO 的底层实现仍使用 Epoll，没有很好实现 AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被 JDK 封装了一层不容易深度优化，Linux 上 AIO 还不够成熟。Netty 是异步非阻塞框架，Netty 在 NIO 上做了很多异步的封装。