Java netty 从入门到实战 (一)-NIO 架构简介

2023-03-02 17:44:38 ⋅ 5505 ⋅ 0 ⋅ 0

一、netty简介

Netty 的介绍

Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架，现为 Github 上的独立项目。
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。
Netty 主要针对在 TCP 协议下，面向 Client 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。
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。
要透彻理解 Netty，需要先学习 NIO，这样我们才能阅读 Netty 的源码。

相对简单的一个体系图
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Netty 的应用场景

互联网行业

互联网行业：在分布式系统中，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 NettyService 基于 Netty 框架二次封装实现。

其它开源项目使用到 Netty

网址：https://netty.io/wiki/related-projects.html

Java BIO编程

I/O 模型

1、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。
2、Java 共支持 3 种网络编程模型 I/O 模式：BIO、NIO、AIO。
3、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。【简单示意图】

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4、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。【简单示意图】

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5、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。
6、我们依次展开讲解。

BIO、NIO、AIO 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。

Java BIO 基本介绍

Java BIO 就是传统的 Java I/O 编程，其相关的类和接口在 java.io。
BIO(BlockingI/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）。【后有应用实例】
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，程序简单易理解。

Java BIO 工作机制

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对 BIO 编程流程的梳理

1、服务器端启动一个 ServerSocket。
2、客户端启动 Socket 对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户建立一个线程与之通讯。
3、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。
4、如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行。

Java BIO 应用实例

实例说明：

1、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。
2、要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。
3、服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet 方式即可）。

代码演示：

package com.atguigu.bio;

import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class BIOServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //线程池机制
        //思路
        //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 newCachedThreadPool = 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() + "名字 = " + Thread.currentThread().getName());
            //监听，等待客户端连接
            System.out.println("等待连接....");
            //会阻塞在accept()
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            //就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
            newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
                public void run() {//我们重写
                    //可以和客户端通讯
                    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() + "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() + "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 (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");
            try {
                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

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问题分析

1、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。
2、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。
3、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。

Java NIO编程

Java NIO 基本介绍

1、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 NewIO），是同步非阻塞的。
2、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。【基本案例】
3、NIO 有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。
4、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。
5、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。【后面有案例说明】
6、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。
7、HTTP 2.0 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 HTTP 1.1 大了好几个数量级。
8、案例说明 NIO 的 Buffer

package com.atguigu.nio;

import java.nio.IntBuffer;

public class BasicBuffer {

    public static void main(String[] args) {

        //举例说明 Buffer 的使用(简单说明)
        //创建一个 Buffer，大小为 5，即可以存放 5 个 int
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);

        //向buffer存放数据
        //intBuffer.put(10);
        //intBuffer.put(11);
        //intBuffer.put(12);
        //intBuffer.put(13);
        //intBuffer.put(14);
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
            intBuffer.put(i * 2);
        }
        //如何从 buffer 读取数据
        //将 buffer 转换，读写切换(!!!)
        intBuffer.flip();
        while (intBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(intBuffer.get());
        }
    }
}

NIO 和 BIO 的比较

1、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。
2、BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的。
3、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。
4、Buffer和Channel之间的数据流向是双向的

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NIO 三大核心原理示意图

一张图描述 NIO 的 Selector、Channel 和 Buffer 的关系。

Selector、Channel 和 Buffer 关系图（简单版）
关系图的说明:
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1、每个 Channel 都会对应一个 Buffer。
2、Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 Channel（连接）。
3、该图反应了有三个 Channel 注册到该 Selector //程序
4、程序切换到哪个 Channel 是由事件决定的，Event 就是一个重要的概念。
5、Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。
6、Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组。
7、数据的读取写入是通过 Buffer，这个和 BIO是不同的，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 是双向的，可以返回底层操作系统的情况，比如 Linux，底层的操作系统通道就是双向的。

缓冲区（Buffer）

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，如图:【后面举例说明】

file

Buffer 类及其子类

1、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：
file

2、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：
file

3、Buffer 类相关方法一览
file

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：
file

通道（Channel）

基本介绍

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。
6、图示

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

应用实例1 - 本地文件写数据

实例要求：

1、使用前面学习后的 ByteBuffer（缓冲）和 FileChannel（通道），将 “hello,尚硅谷” 写入到 file01.txt 中
2、文件不存在就创建
3、代码演示

package com.atguigu.nettystudy;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOFileChannel01 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        String str = "hello, 盐田斯嘉丽 ";

        // 创建一个输出流 -> channel
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/Users/kaiyi/Work/bianqian/report.txt");

        // 通过 fileOutputStream 获取对应的 FileChannel
        // 这个 fileChannel 真实类型是 FileChannelImpl
        FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();

        // 创建一个缓冲区 ByteBuffer
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        // 将 str 放入 byteBuffer
        byteBuffer.put(str.getBytes());

        // 对 byteBuffer 进行flip
        byteBuffer.flip();

        // 将 byteBuffer 数据写入到 fileChannel
        fileChannel.write(byteBuffer);
        fileOutputStream.close();
    }
}

为者常成，行者常至

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