Day13.高性能RPC设计学习笔记1

一、引言

系统架构演变
随着互联网的发展，网站应用的规模不断扩大，常规的垂直应用（MVC）架构已无法应对，分布式服务架构以及流动计算架构（伸缩性）势在必行，亟需一个治理系统确保架构有条不紊的演进。

单一架构：例如早期servlet/jsp - ORM(对象关系映射) Hibernate|MyBatis
垂直架构：将一个应用分层，实现协同开发，便于后期项目升级维护 - MVC Struts1/2|SpringMVC
分布式服务：提升服务整体性能，将一些模块独立出去（SOA service orented architecture），独立运行，随着业务发展，不可避免需要调度第三方服务（物流信息、第三支付）。RPC - Remote Process Call （即时消息） webservice、Dubbo、SpringCloud
流动式计算架构:要求服务提供方能够根据负载情况，动态增加或者减少。同时实现服务可视化，简化服务运维，提升系统资源的利用率。 - SOA治理框架 微服务 - 对服务进行集中管理调控。

高并发互联网设计原则 —— 高负载、高存储、高容错 也称 AKF拆分原则
X轴:服务水平扩展
服务具有可复制性，水平分割 ，解决一些并发问题
（水平拓展，比性能的垂直提升成本低-摩尔定律）
Y轴：服务间各司其职
弱耦合，垂直分割，物理节点物尽其用
（泳道设计）
Z轴:对x,y打包，进行物理隔离。
X中有Y，Y中有X x和y互相转换
y中有x：对y轴做垂直拆分，层与层间独立，为了保证每一层的可用性，每一层做水平分割
高并发的场景问题 —— 优化思路
如何让服务支持x轴的水平扩展，利用分布式的思维解决高并发；如何做y中的垂直拆分，是应用之间尽可能隔离，弱化服务件耦合度；结合两个维度来解决高并发的场景问题。（Socket + IO）

二、网络基础（TCP/IP）

网络编程：通过编码的方式，让不同计算机之间相互通信（数据的传递）。
两个核心问题：
寻址问题：ip地址+port端口号
协议问题：数据传输格式
OSI 七层模型（标准，了解就好）
OSI 五层模型（七层的转变）
协议
http协议：应用层协议，超文本传输协议，不同计算机间传输文本的协议（字符串），底层tcp协议
tcp/ip协议：传输层协议

tcp协议：传输安全，效率低
udp协议：传输不安全，效率高

了解
应用层（Http协议：WebService，tomcat协议）——普通程序员
传输层（TCP/IP UDP：基于tcp/ip封装的ftp、smtp/pop3、websocket…定制协议rpc协议）——架构程序员也是代码最终触及到的地方
物理层（嵌入式开发）

三、传统 BIO 网络编程模型（TCP/IP）

IO模型分类

BIO 同步阻塞IO
传统IO 或者 Blocking IO
特点：面向流Input | Output
【每个线程只能处理一个channel（同步的，该线程和该channel绑定）。
线程发起IO请求，不管内核是否准备好IO操作，从发起请求起，线程一直阻塞，直到操作完成。】
NIO 同步非阻塞IO
New IO 或者Non Blocking IO
特点：面向缓冲区Buffer（基于通道）
【每个线程可以处理多个channel（异步）。
线程发起IO请求，立即返回；内核在做好IO操作的准备之后，通过调用注册的回调函数通知线程做IO操作，线程开始阻塞，直到操作完成。】
AIO（Async Non Blocking IO）异步非阻塞
【线程发起IO请求，立即返回；内存做好IO操作的准备之后，做IO操作，直到操作完成或者失败，通过调用注册的回调函数通知线程做IO操作完成或者失败。】

BIO
方向—— 输入、输出流（InputStream | OutputStream）
类型—— 字节、字符流（Reader | Writer）
功能—— 节点、过滤流（BufferedInputStream | BufferedOutputStream ）
BIO网络编程

服务端：ServerSocket 【接收和响应，请求转发 - ServerSocket、 请求响应- Socket】
①初始化服务器ServerSocket，绑定监听端口
②等待客户端连接serverSocket.accept();
③处理请求/响应sockect.getInputStream(); / socket.getOutputStream();
④关闭资源
客户端：Socket 【发送和接收，发送请求|接收响应：Socket】
①初始化客户端Socket，绑定服务器IP/端口
②发起请求/获取响应socket.getOutputStream(); / socket.getInputStream();
③关闭资源

BIO代码

Server

public class BIOBootstrapServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        server();
    }
    public static void server() throws IOException {
        //创建服务转发ServerSocket
        ServerSocket ss = new ServerSocket();
        ss.bind(new InetSocketAddress(9999)); //server可以省略好hostname

        ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(10);
        while(true) {
            //等待请求到来，转发产生Socket(系统内部资源)
            final Socket socket = ss.accept(); //没有请求就等待，阻塞
            //final 匿名内部类使用局部变量要final修饰
            threadPool.submit(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        //利用IO，读取用户请求
                        InputStream req = socket.getInputStream();
                        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(req);
                        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);

                        String line = null;
                        StringBuilder sb = new StringBuilder();
                        while ((line = br.readLine()) != null) {
                            sb.append(line);
                        }
                        System.out.println("服务器收到：" + sb.toString());
                        //给出用户响应
                        OutputStream res = socket.getOutputStream();
                        PrintWriter pw = new PrintWriter(res);
                        pw.println(new Date().toLocaleString());
                        pw.flush();
                        socket.shutdownOutput(); //告知客户端写结束
                        //关闭系统资源
                        socket.close();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
}

Client

public class BIOBootstrapClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        send("这是一条来自client 的 message！");
    }
    public static void send(String msg) throws IOException {
        //创建Socket对象
        Socket s = new Socket();
        s.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999)); //所以几乎给ip和端口的，底层走的就是socket

        //发送请求
        OutputStream req = s.getOutputStream();
        PrintWriter pw=new PrintWriter(req);
        pw.println(msg);
        pw.flush();
        s.shutdownOutput();//告知服务端写结束

        //接收响应
        InputStream res = s.getInputStream();
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(res);
        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
        String line=null;
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        while((line=br.readLine())!=null){
            sb.append(line);
        }
        System.out.println("客户端收到："+sb.toString());
        //关闭资源
        s.close();
    }
}

思考下，BIO模型的缺点？
accept转发产生socket资源，一次请求转发等待请求响应的过程有阻塞。main线程作accept请求转发、子线程作socket读写IO处理。

机器间通信是靠传输 套接字 完成的。

套接字，是支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。
简单的举例说明下:Socket = Ip address + TCP/UDP + port。

每个socket代表一个系统的随机端口，用来在服务和客户端之间建立连接。
在这里插入图片描述

BIO网络编程问题
通过将相应处理和转发进行分离，但是在转发的时候，服务器是通过先开启线程资源（计算），然后在计算中动用IO操作，IO存在总线占用问题，导致当前线程操作的IO资源没有就绪，导致系统计算资源的浪费。如果要解决该问题，必须先考虑让IO就绪，然后在开启线程处理或者理解为让线程去处理一些非阻塞的IO操作。

BIO编程诟病 :多线程模型解决服务端并发，但是无法判断当前处理的IO状态是否就绪，此时就会导致线程在做无畏等待，导致系统资源利用率不高。先开线程 -> 在线程等待IO就绪->处理IO->线程资源释放

四、NIO编程模型

Channel（FileChannel-读写文件、ServerSocketChannel-请求转发、SocketChannel-响应处理）
ByteBuffer （字节缓冲区）

创建FileChannel

//可读的FileChannel
FileChannel fr=new FileInputStream("xxx路径").getChannel();
//可写的FileChannel
FileChannel fw=new FileOutputStream("xxx路径").getChannel();

文件操作

//读文件件
fr.read(缓冲区)
//写文件
fw.write(缓冲区)

字节缓冲区

flip：pos赋值给limit，post归0
clear：恢复变量为初始状态

一个基于NIO的文件拷贝【面试&笔试】
【NIO没有流的概念，用通道来处理。】

public class FileCopyDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建读通道 磁盘读入数据 到 ByteBuffer
        FileInputStream in = new FileInputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\123.txt");
        FileChannel fcr = in.getChannel(); //fileChannelRead

        //创建写通道 将 ByteBuffer 数据写入磁盘
        FileOutputStream out = new FileOutputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\321.txt");
        FileChannel fcw= out.getChannel(); //fileChannelWrite

        //创建ByteBuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(new byte[1024]);//.allocate()也可以

        while (true){
            buffer.clear();
            int n = fcr.read(buffer);
            if(n==-1) break;
            buffer.flip();
            fcw.write(buffer);
        }
        //关闭资源
        fcr.close();
        fcw.close();
    }
}

“挂羊头，卖狗肉” —— NIO的API，BIO的编程模型

public class NIOBootstrapServer_Fake {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        server();
    }
    public static void server() throws IOException {
        //创建服务转发ServerSocket
        ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open();
        ss.bind(new InetSocketAddress(9999));
        ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(10);
        while(true) {
            //等待请求到来，转发产生Socket(系统内部资源)
            final SocketChannel socket = ss.accept();// 阻塞
            threadPool.submit(new Runnable() {
                public void run() {
                    try{
                        //读取客户端响应
                        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);

                        ByteArrayOutputStream baos=new ByteArrayOutputStream();//类似stringbuilder，用来暂存用

                        while (true){
                            buffer.clear();
                            int n = socket.read(buffer);
                            if(n==-1) break;
                            buffer.flip();
                            baos.write(buffer.array(),0,n);
                        }
                        System.out.println("服务器收到："+new String(baos.toByteArray()));

                        //给出客户端响应

                        ByteBuffer respBuffer = ByteBuffer.wrap((new Date().toLocaleString()).getBytes());
                        socket.write(respBuffer);

                        socket.shutdownOutput();//告知客户端写结束
                        //关闭系统资源
                        socket.close();
                    }catch (Exception e){

                    }
                }
            });
        }
    }
}

通道选择器

NIO核心思想，将网络编程中所有操作（转发，读请求，写响应）封装成事件Event，之后用事件形式通知程序进行计算，事件发生则通知程序，这样处理的IO都是就绪的IO，保证计算资源的充分利用。这时候，引入通道选择器的概念。
我们需要把通道注册到通道选择器的注册列表中，由通道选择器维护注册列表；一旦我们所关注的事件发生了，他会把关注的事件封装到事件处理列表当中；为了防止处理空或无效IO，每个事件处理结束后，要从列表中移除；移除不代表取消注册。只有两种可能才取消注册，一种是通道关闭，一种是主动注销。

Day13.高性能RPC设计 学习笔记1

一、引言

二、网络基础（TCP/IP）

三、传统 BIO 网络编程模型（TCP/IP）

四、NIO编程模型

猜你喜欢

Day13.高性能RPC设计学习笔记1