Netty 介绍和应用场景
Netty 的介绍
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Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架，现为 Github 上的独立项目。
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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。
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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。
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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。
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要透彻理解 Netty ， 需要先学习 NIO ， 这样我们才能阅读 Netty 的源码。
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
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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。
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它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。
Java BIO 编程
I/O 模型
I/O 模型基本说明
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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。
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Java 共支持 3 种网络编程模型/IO 模式：BIO、NIO、AIO
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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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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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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。
BIO、NIO、AIO 适用场景分析
- 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 io 编程，其相关的类和接口在 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)。
- 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
对 BIO 编程流程的梳理
- 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
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。
- 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(telnet 方式即可)。
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....");
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();
}
}
}
}
启动程序，当没有客户端连接时，阻塞在acept()处，如下图所示，
启动telnet进行连接，服务端启动一个线程进行处理，如下图所示，
客户端输入数据，服务端进行处理，处理完后，再次阻塞在read()那里，如图
再启动一个端口，用telnet进行连接，服务端会从线程池中在拿一个线程出来处理，如图，
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。
Java NIO 编程
Java NIO 基本介绍
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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
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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】
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NIO 有三大核心部分：**Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器) **
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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
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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】
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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。
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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
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案例说明 NIO 的 Buffer
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(!!!) /* public final Buffer flip() { limit = position; //读数据不能超过5 position = 0; mark = -1; return this; } */ intBuffer.flip(); intBuffer.position(1);//1,2 System.out.println(intBuffer.get()); intBuffer.limit(3); while (intBuffer.hasRemaining()) { System.out.println(intBuffer.get()); } } }
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 。
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 的关系图(简单版)
关系图的说明:
- 每个 channel 都会对应一个 Buffer
- Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个 channel(连接)
- 该图反应了有三个 channel 注册到 该 selector //程序
- 程序切换到哪个 channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
- Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
- Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组
- 数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO有本质区别 , 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, 可以反映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】
Buffer 类及其子类
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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:
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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:
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Buffer 类相关方法一览
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：
通道(Channel)
基本介绍
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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。
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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。
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Channel 在 NIO 中是一个接口
public interface Channel extends Closeable{} -
常 用 的 Channel 类 有 ： FileChannel 、 DatagramChannel 、 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 。
【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】
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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。 -
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:
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使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 "hello, world" 写入到 file01.txt 中
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文件不存在就创建
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代码演示
public class NIOFileChannel01 { public static void main(String[] args) throws Exception{ String str = "hello,world"; //创建一个输出流->channel FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\file01.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(); } }
应用实例 2-本地文件读数据
实例要求:
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使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 file01.txt 中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕
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假定文件已经存在
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代码演示
public class NIOFileChannel02 { public static void main(String[] args) throws Exception { //创建文件的输入流 File file = new File("d:\\file01.txt"); FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file); //通过fileInputStream 获取对应的FileChannel -> 实际类型 FileChannelImpl FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel(); //创建缓冲区 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length()); //将 通道的数据读入到Buffer fileChannel.read(byteBuffer); //将byteBuffer 的 字节数据 转成String System.out.println(new String(byteBuffer.array())); fileInputStream.close(); } }
应用实例 3-使用一个 Buffer 完成文件读取、写入
实例要求:
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使用 FileChannel(通道) 和 方法 read , write，完成文件的拷贝
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拷贝一个文本文件 1.txt , 放在项目下即可
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代码演示
public class NIOFileChannel03 { public static void main(String[] args) throws Exception { FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt"); FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel(); FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt"); FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512); while (true) { //循环读取 //这里有一个重要的操作，一定不要忘了 /* public final Buffer clear() { position = 0; limit = capacity; mark = -1; return this; } */ byteBuffer.clear(); //清空buffer int read = fileChannel01.read(byteBuffer); System.out.println("read =" + read); if(read == -1) { //表示读完 break; } //将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txt byteBuffer.flip(); fileChannel02.write(byteBuffer); } //关闭相关的流 fileInputStream.close(); fileOutputStream.close(); } }注意：
fileChannel02写完后，一定要记得将byteBuffer.clear();
应用实例 4-拷贝文件 transferFrom 方法
实例要求:
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使用 FileChannel(通道) 和 方法 transferFrom ，完成文件的拷贝
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拷贝一张图片
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代码演示
public class NIOFileChannel04 { public static void main(String[] args) throws Exception { //创建相关流 FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("d:\\a.jpg"); FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a2.jpg"); //获取各个流对应的filechannel FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel(); FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel(); //使用transferForm完成拷贝 destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size()); //关闭相关通道和流 sourceCh.close(); destCh.close(); fileInputStream.close(); fileOutputStream.close(); } }
关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节
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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。public class NIOByteBufferPutGet { public static void main(String[] args) { //创建一个Buffer ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64); //类型化方式放入数据 buffer.putInt(100); buffer.putLong(9); buffer.putChar('尚'); buffer.putShort((short) 4); //取出 buffer.flip(); System.out.println(); System.out.println(buffer.getInt()); System.out.println(buffer.getLong()); System.out.println(buffer.getChar()); System.out.println(buffer.getShort()); } }如果put和get数据类型不一致的话，可能会发生
BufferUnderflowException异常，如图所示，
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可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer
public class ReadOnlyBuffer { public static void main(String[] args) { //创建一个buffer ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64); for(int i = 0; i < 64; i++) { buffer.put((byte)i); } //读取 buffer.flip(); //得到一个只读的Buffer ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer(); System.out.println(readOnlyBuffer.getClass()); //读取 while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) { System.out.println(readOnlyBuffer.get()); } readOnlyBuffer.put((byte)100); //ReadOnlyBufferException } } -
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.
/* 说明 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 */ public class MappedByteBufferTest { public static void main(String[] args) throws Exception { RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw"); //获取对应的通道 FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel(); /** * 参数1: FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式 * 参数2： 0 ： 可以直接修改的起始位置 * 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 * 可以直接修改的范围就是 0-5 * 实际类型 DirectByteBuffer */ MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5); mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H'); mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9'); mappedByteBuffer.put(5, (byte) 'Y');//IndexOutOfBoundsException randomAccessFile.close(); System.out.println("修改成功~~"); } } -
前面我们讲的读写操作，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。
/** * Scattering：将数据写入到buffer时，可以采用buffer数组，依次写入 [分散] * Gathering: 从buffer读取数据时，可以采用buffer数组，依次读 */ public class ScatteringAndGatheringTest { public static void main(String[] args) throws Exception { //使用 ServerSocketChannel 和 SocketChannel 网络 ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000); //绑定端口到socket ，并启动 serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress); //创建buffer数组 ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2]; byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5); byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3); //等客户端连接(telnet) SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); int messageLength = 8; //假定从客户端接收8个字节 //循环的读取 while (true) { int byteRead = 0; while (byteRead < messageLength ) { long l = socketChannel.read(byteBuffers); byteRead += l; //累计读取的字节数 System.out.println("byteRead=" + byteRead); //使用流打印, 看看当前的这个buffer的position 和 limit Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "postion=" + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out::println); } //将所有的buffer进行flip Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip()); //将数据读出显示到客户端 long byteWirte = 0; while (byteWirte < messageLength) { long l = socketChannel.write(byteBuffers); // byteWirte += l; } //将所有的buffer 进行clear Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer-> { buffer.clear(); }); System.out.println("byteRead:=" + byteRead + " byteWrite=" + byteWirte + ", messagelength" + messageLength); } } }
Selector(选择器)
基本介绍
- Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector(选择器)
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
- 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程。
- 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
Selector 示意图和特点说明
说明如下：
- 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 类相关方法
Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:
public abstract class Selector implements Closeable {
public static Selector open();//得到一个选择器对象
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
public SetselectedKeys();//从内部集合中得到所有的 SelectionKey
}
注意事项
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NIO 中的
ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket。 -
selector 相关方法说明:
selector.select()//阻塞 selector.select(1000);//阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回 selector.wakeup();//唤醒 selector selector.selectNow();//不阻塞，立马返还
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
对上图的说明:
- 当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
- Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.
- 将 socketChannel 注册到 Selector 上, register(Selector sel, int ops), 一个 selector 上可以注册多个 SocketChannel
- 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)
- 在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel()
- 可以通过得到的 channel , 完成业务处理
NIO 非阻塞 网络编程快速入门
案例要求:
- 编写一个 NIO 入门案例，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
- 目的：理解 NIO 非阻塞网络编程机制
服务端代码：
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//创建ServerSocketChannel -> ServerSocket
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
//得到一个Selecor对象
Selector selector = Selector.open();
//绑定一个端口6666, 在服务器端监听
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
//设置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
//把 serverSocketChannel 注册到 selector 关心 事件为 OP_ACCEPT
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); // 1
//循环等待客户端连接
while (true) {
//这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回
if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生
System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");
continue;
}
//如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
//1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件
//2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
// 通过 selectionKeys 反向获取通道
Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());
//遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
//获取到SelectionKey
SelectionKey key = keyIterator.next();
//根据key 对应的通道发生的事件做相应处理
if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
//该该客户端生成一个 SocketChannel
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
//将 SocketChannel 设置为非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel
//关联一个Buffer
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..
}
if(key.isReadable()) { //发生 OP_READ
//通过key 反向获取到对应channel
SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();
//获取到该channel关联的buffer
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
channel.read(buffer);
System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));
}
//手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
keyIterator.remove();
}
}
}
}
客户端代码：
public class NIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception{
//得到一个网络通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//提供服务器端的ip 和 端口
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
//连接服务器
if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {
while (!socketChannel.finishConnect()) {
System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");
}
}
//...如果连接成功，就发送数据
String str = "hello, world~";
//Wraps a byte array into a buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
//发送数据，将 buffer 数据写入 channel
socketChannel.write(buffer);
System.in.read();
}
}
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：
public static final int OP_READ = 1 << 0; public static final int OP_WRITE = 1 << 2; public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4; -
SelectionKey 相关方法
public abstract class SelectionKey { public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象 public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道 public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据 public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件 public final boolean isAcceptable();//是否可以 accept public final boolean isReadable();//是否可以读 public final boolean isWritable();//是否可以写 }
ServerSocketChannel
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ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接
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相关方法如下
public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements NetworkChannel{ public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道 public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号 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 public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象 public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件 }
SocketChannel
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SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。
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相关方法如下
public abstract class SocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{ public static SocketChannel open();//得到一个 SocketChannel 通道 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 public boolean connect(SocketAddress remote);//连接服务器 public boolean finishConnect();//如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作 public int write(ByteBuffer src);//往通道里写数据 public int read(ByteBuffer dst);//从通道里读数据 public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注册一个选择器并设置监听事件，最后一个参数可以设置共享数据 public final void close();//关闭通道 }
NIO 网络编程应用实例-群聊系统
实例要求:
- 编写一个 NIO 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
- 实现多人群聊
- 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
- 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息(有服务器转发得到)
- 目的：进一步理解 NIO 非阻塞网络编程机制
- 示意图分析和代码
服务端代码：
public class GroupChatServer {
//定义属性
private Selector selector;
private ServerSocketChannel listenChannel;
private static final int PORT = 6667;
//构造器
//初始化工作
public GroupChatServer() {
try {
//得到选择器
selector = Selector.open();
//ServerSocketChannel
listenChannel = ServerSocketChannel.open();
//绑定端口
listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
//设置非阻塞模式
listenChannel.configureBlocking(false);
//将该listenChannel 注册到selector
listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//监听
public void listen() {
System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());
try {
//循环处理
while (true) {
int count = selector.select();
if(count > 0) {//有事件处理
//遍历得到selectionKey 集合
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
//取出selectionkey
SelectionKey key = iterator.next();
//监听到accept
if(key.isAcceptable()) {
SocketChannel sc = listenChannel.accept();
sc.configureBlocking(false);
//将该 sc 注册到seletor
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//提示
System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");
}
if(key.isReadable()) { //通道发送read事件，即通道是可读的状态
//处理读 (专门写方法..)
readData(key);
}
//当前的key 删除，防止重复处理
iterator.remove();
}
} else {
System.out.println("等待....");
}
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}finally {
//发生异常处理....
}
}
//读取客户端消息
private void readData(SelectionKey key) {
//取到关联的channle
SocketChannel channel = null;
try {
//得到channel
channel = (SocketChannel) key.channel();
//创建buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int count = channel.read(buffer);
//根据count的值做处理
if(count > 0) {
//把缓存区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
//输出该消息
System.out.println("from 客户端: " + msg.trim());
//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
sendInfoToOtherClients(msg, channel);
} else { // 当客户端下线时，count = -1
try {
System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");
//取消注册
key.cancel();
//关闭通道
channel.close();
}catch (IOException e2) {
e2.printStackTrace();
}
}
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//转发消息给其它客户(通道)
private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws IOException{
System.out.println("服务器转发消息中...");
System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());
//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 self
for(SelectionKey key: selector.keys()) {
//通过 key 取出对应的 SocketChannel
Channel targetChannel = key.channel();
//排除自己
if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel != self) {
//转型
SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;
//将msg 存储到buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
//将buffer 的数据写入 通道
dest.write(buffer);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
//创建服务器对象
GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
groupChatServer.listen();
}
}
客户端代码：
public class GroupChatClient {
//定义相关的属性
private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ip
private final int PORT = 6667; //服务器端口
private Selector selector;
private SocketChannel socketChannel;
private String username;
//构造器, 完成初始化工作
public GroupChatClient() throws IOException {
selector = Selector.open();
//连接服务器
socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));
//设置非阻塞
socketChannel.configureBlocking(false);
//将channel 注册到selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
//得到username
username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
System.out.println(username + " is ok...");
}
//向服务器发送消息
public void sendInfo(String info) {
info = username + " 说：" + info;
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));
}catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//读取从服务器端回复的消息
public void readInfo() {
try {
int readChannels = selector.select();
if(readChannels > 0) {//有可以用的通道
Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
if(key.isReadable()) {
//得到相关的通道
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
//得到一个Buffer
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
//读取
sc.read(buffer);
//把读到的缓冲区的数据转成字符串
String msg = new String(buffer.array());
System.out.println(msg.trim());
}
iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作
}
} else {
//System.out.println("没有可以用的通道...");
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
//启动我们客户端
GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();
//启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据
new Thread() {
public void run() {
while (true) {
chatClient.readInfo();
try {
Thread.currentThread().sleep(3000);
}catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}.start();
//发送数据给服务器端
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNextLine()) {
String s = scanner.nextLine();
chatClient.sendInfo(s);
}
}
}
NIO 与零拷贝
零拷贝这三个字，一直是服务器网络编程的关键字，任何性能优化都离不开。在 Java 程序员的世界，常用的零拷贝有 mmap 和 sendFile。那么，他们在 OS 里，到底是怎么样的一个的设计？本文将简单聊聊 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝。
传统数据读写的劣势
初学 Java 时，我们在学习 IO 和 网络编程时，会使用以下代码：
File file = new File("index.html");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");
byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);
Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);
我们会调用 read 方法读取 index.html 的内容—— 变成字节数组，然后调用 write 方法，将 index.html 字节流写到 socket 中，那么，我们调用这两个方法，在 OS 底层发生了什么呢？我这里借鉴了一张其他文字的图片，尝试解释这个过程。
上图中，上半部分表示用户态和内核态的上下文切换。下半部分表示数据复制操作。下面说说他们的步骤：
- read 调用导致用户态到内核态的一次变化，同时，第一次复制开始：DMA（Direct Memory Access，直接内存存取，即不使用 CPU 拷贝数据到内存，而是 DMA 引擎传输数据到内存，用于解放 CPU） 引擎从磁盘读取 index.html 文件，并将数据放入到内核缓冲区。
- 发生第二次数据拷贝，即：将内核缓冲区的数据拷贝到用户缓冲区，同时，发生了一次用内核态到用户态的上下文切换。
- 发生第三次数据拷贝，我们调用 write 方法，系统将用户缓冲区的数据拷贝到 Socket 缓冲区。此时，又发生了一次用户态到内核态的上下文切换。
- 第四次拷贝，数据异步的从 Socket 缓冲区，使用 DMA 引擎拷贝到网络协议引擎。这一段，不需要进行上下文切换。
- write 方法返回，再次从内核态切换到用户态。
如你所见，复制拷贝操作太多了。如何优化这些流程？
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：
如上图，user buffer 和 kernel buffer 共享 index.html。如果你想把硬盘的 index.html 传输到网络中，再也不用拷贝到用户空间，再从用户空间拷贝到 Socket 缓冲区。
现在，你只需要从内核缓冲区拷贝到 Socket 缓冲区即可，这将减少一次内存拷贝（从 4 次变成了 3 次），但不减少上下文切换次数。
sendFile
那么，我们还能继续优化吗？ 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。
如上图，我们进行 sendFile 系统调用时，数据被 DMA 引擎从文件复制到内核缓冲区，然后调用，然后掉一共 write 方法时，从内核缓冲区进入到 Socket，这时，是没有上下文切换的，因为在一个用户空间。
最后，数据从 Socket 缓冲区进入到协议栈。
此时，数据经过了 3 次拷贝，3 次上下文切换。
那么，还能不能再继续优化呢？ 例如直接从内核缓冲区拷贝到网络协议栈？
实际上，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：
现在，index.html 要从文件进入到网络协议栈，只需 2 次拷贝：第一次使用 DMA 引擎从文件拷贝到内核缓冲区，第二次从内核缓冲区将数据拷贝到网络协议栈；内核缓存区只会拷贝一些 offset 和 length 信息到 SocketBuffer，基本无消耗。
等一下，不是说零拷贝吗？为什么还是要 2 次拷贝？
答：首先我们说零拷贝，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，sendFile 2.1 版本实际上有 2 份数据，算不上零拷贝）。例如我们刚开始的例子，内核缓存区和 Socket 缓冲区的数据就是重复的。
而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。
再稍微讲讲 mmap 和 sendFile 的区别。
- 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）。
在这个选择上：rocketMQ 在消费消息时，使用了 mmap。kafka 使用了 sendFile。
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
传统方式：
服务端：
//java IO 的服务器
public class OldIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());
try {
byte[] byteArray = new byte[4096];
while (true) {
int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);
if (-1 == readCount) {
break;
}
}
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
}
客户端：
public class OldIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Socket socket = new Socket("localhost", 7001);
String fileName = "protoc-3.6.1-win32.zip";
InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);
DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
byte[] buffer = new byte[4096];
long readCount;
long total = 0;
long startTime = System.currentTimeMillis();
while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {
total += readCount;
dataOutputStream.write(buffer);
}
System.out.println("发送总字节数： " + total + ", 耗时： " + (System.currentTimeMillis() - startTime));
dataOutputStream.close();
socket.close();
inputStream.close();
}
}
运行结果：
NIO零拷贝
服务端：
//服务器
public class NewIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
serverSocket.bind(address);
//创建buffer
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
while (true) {
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
int readcount = 0;
while (-1 != readcount) {
try {
readcount = socketChannel.read(byteBuffer);
}catch (Exception ex) {
// ex.printStackTrace();
break;
}
//
byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废
}
}
}
}
客户端：
public class NewIOClient {
public static void main(String[] args) throws Exception {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));
String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";
//得到一个文件channel
FileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();
//准备发送
long startTime = System.currentTimeMillis();
//在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输
//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
//传输时的位置 =》 课后思考...
//transferTo 底层使用到零拷贝
long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));
//关闭
fileChannel.close();
}
}
运行结果：
