Netty -- 基操勿6️⃣

文章目录

1、Netty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。
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。
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。

1.1 原生NIO存在的问题

NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、 SocketChannel、ByteBuffer 等。
需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

官网：https://netty.io/
Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients
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1.2 Netty官网说明

Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

1.3 Netty的优点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装，解决了上述问题。

设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池.
使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。
高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。
安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

1.4 Netty版本说明

netty版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x
因为Netty5出现重大bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本
目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x 和 netty4.1.x
在本文中，讲解 Netty4.1.x 版本
netty 下载地址： https://bintray.com/netty/downloads/netty/

2、Netty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

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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 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

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其它开源项目使用到Netty
网址: https://netty.io/wiki/related-projects.html
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3、I/O模型

3.1 I/O 模型基本说明

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
Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO
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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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

3.2 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。

3.3 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)。【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

工作原理图
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BIO编程简单流程

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)。

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....");
            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();
            }

        }
    }
}

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

3.4 Java NIO 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。【基本案例】
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。【后面有案例说明】
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 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

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);
        
        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 三大核心原理示意图

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

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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 , 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】
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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:
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:
Buffer类相关方法一览

public abstract class Buffer {
    
     
	//JDK1.4时，引入的api 
	public final int capacity( )//返回此缓冲区的容量 
	public final int position( )//返回此缓冲区的位置 
	public final Buffer position (int newPositio)//设置此缓冲区的位置 
	public final int limit( )//返回此缓冲区的限制 
	public final Buffer limit (int newLimit)//设置此缓冲区的限制 
	public final Buffer mark( )//在此缓冲区的位置设置标记 
	public final Buffer reset( )//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置 
	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 
	public final Buffer flip( )//反转此缓冲区 
	public final Buffer rewind( )//重绕此缓冲区 
	public final int remaining( )//返回当前位置与限制之间的元素数 
	public final boolean hasRemaining( )//告知在当前位置和限制之间是否有元素 
	public abstract boolean isReadOnly( );//告知此缓冲区是否为只读缓冲区 

	//JDK1.6时引入的api 
	public abstract boolean hasArray();//告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组 
	public abstract Object array();//返回此缓冲区的底层实现数组 
	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 
	public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区 

}

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：

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

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通道(Channel)

基本介绍

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:
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。
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】
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

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

public class NIOFileChannel01 {
    
    
    public static void main(String[] args) throws Exception{
    
    

        String str = "hello";
        //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();

    }
}

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

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();

    }
}

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

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();
    }
}

在这里插入图片描述

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;

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

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。[举例说明]

import java.nio.ByteBuffer;

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());
    }
}

可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer [举例说明]

import java.nio.ByteBuffer;

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. [举例说明]

import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/*
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 【举例说明】

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Arrays;

/**
 * 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。【示意图】
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
在这里插入图片描述

特点再说明:

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。 2) 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 Set<SelectionKey> selectedKeys();//从内部集合中得 到所有的 SelectionKey 
}

在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述
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
代码撑腰。。。

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

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();

            }

        }

    }
}

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

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";
        //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;
2) 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 
}

在这里插入图片描述

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接
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 
}

在这里插入图片描述

SocketChannel

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。
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

在这里插入图片描述

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;

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("form 客户端: " + msg);

                //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);
            }

        }catch (IOException e) {
    
    
            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();;
            }
        }
    }

    //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();
    }
}

//可以写一个Handler
class MyHandler {
    
    
    public void readData() {
    
    

    }
    public void sendInfoToOtherClients(){
    
    

    }
}

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.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Scanner;
import java.util.Set;

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

零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。
在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么，他们在 OS 里，到底是怎么样的一个的设计？我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝
另外我们看下NIO 中如何使用零拷贝

传统IO数据读写

Java 传统 IO 和网络编程的一段代码

File file = new File("test.txt"); 
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);

传统IO
在这里插入图片描述
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
mmap示意图

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

示意图和小结
提示：零拷贝从操作系统角度，是没有cpu 拷贝
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：

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

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

//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
            }
        }
    }
}

import java.io.FileInputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

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();

    }
}

零拷贝的再次理解

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

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）。

3.5 Java AIO 基本介绍

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 NIO2.0，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 <<Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统 AIO介绍>> http://www.52im.net/thread-306-1-1.html

BIO、NIO、AIO对比表

在这里插入图片描述
举例说明

同步阻塞：到理发店理发，就一直等理发师，直到轮到自己理发。
同步非阻塞：到理发店理发，发现前面有其它人理发，给理发师说下，先干其他事情，一会过来看是否轮到自己.
异步非阻塞：给理发师打电话，让理发师上门服务，自己干其它事情，理发师自己来家给你理发

4、Netty 高性能架构设计

4.1 线程模型基本介绍

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统的讲解下各个线程模式，最后看看Netty 线程模型有什么优越性.
目前存在的线程模型有： 传统阻塞 I/O 服务模型 Reactor 模式
根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现
• 单 Reactor 单线程；
• 单 Reactor 多线程；
• 主从 Reactor 多线程
Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)

传统阻塞 I/O 服务模型

工作原理图
在这里插入图片描述

黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程白色的框表示方法(API)
模型特点

采用阻塞IO模式获取输入的数据
每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理, 数据返回
问题分析
当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read 操作，造成线程资源浪费

Reactor 模式

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：

基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理 Reactor 对应的叫法:
反应器模式
分发者模式(Dispatcher)
通知者模式(notifier)
基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图：

说明:

Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式 (基于事件驱动)

服务器端程序处理传入的多个请求, 并将它们同步分派到相应的处理线程，因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式
Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

Reactor 模式中核心组成：

Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

Reactor 模式分类：
根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现

单 Reactor 单线程

单 Reactor 多线程
主从 Reactor 多线程

单 Reactor 单线程

工作原理示意图：
在这里插入图片描述

方案说明：

Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

结合实例：服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑

方案优缺点分析：

优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障
使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

单 Reactor 多线程

方案说明

Reactor 对象通过select 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过dispatch进行分发
如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件
如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务
worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler
handler收到响应后，通过send 将结果返回给 client

在这里插入图片描述
方案优缺点分析：

优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力
缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈.

主从 Reactor 多线程

工作原理示意图：
针对单 Reactor 多线程模型中，Reactor 在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让 Reactor 在多线程中运行

方案说明

Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收到事件后，通过Acceptor 处理连接事件
当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor
subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler 进行各种事件处理
当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理
handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果

在这里插入图片描述
Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解：

方案优缺点说明：

优点：父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。
优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。
缺点：编程复杂度较高

结合实例：这种模型在许多项目中广泛使用，包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型， Memcached 主从多线程，Netty 主从多线程模型的支持

Reactor 模式小结

3 种模式用生活案例来理解

单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服
单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

Reactor 模式具有如下的优点：

响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的
可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

5、Netty模型

5.1 工作原理示意图1-简单版

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如图）做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor

BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accecpt
当接收到Accept事件，获取到对应的 SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel并注册到 Worker 线程(事件循环), 并进行维护
当Worker线程监听到selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理(就由handler)，注意 handler 已经加入到通道

5.2 工作原理示意图2-进阶版

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如图）做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor
在这里插入图片描述

5.3 工作原理示意图-详细版

Netty抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写
BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是 NioEventLoop
NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步
1、轮询accept 事件
2、处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 上的 selector
3、处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤
1、轮询read, write 事件
2、处理i/o事件，即read , write 事件，在对应NioScocketChannel 处理
3、处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器

process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDU1Njk2OA==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)

5.4 任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景

用户程序自定义的普通任务 [举例说明]
用户自定义定时任务
非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法

例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费


import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.util.CharsetUtil;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/*
说明
1. 我们自定义一个Handler 需要继续netty 规定好的某个HandlerAdapter(规范)
2. 这时我们自定义一个Handler , 才能称为一个handler
 */
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    
    

    //读取数据实际(这里我们可以读取客户端发送的消息)
    /*
    1. ChannelHandlerContext ctx:上下文对象, 含有 管道pipeline , 通道channel, 地址
    2. Object msg: 就是客户端发送的数据 默认Object
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    
    

/*

        //比如这里我们有一个非常耗时长的业务-> 异步执行 -> 提交该channel 对应的
        //NIOEventLoop 的 taskQueue中,

        //解决方案1 用户程序自定义的普通任务

        ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                try {
                    Thread.sleep(5 * 1000);
                    ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵2", CharsetUtil.UTF_8));
                    System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
                } catch (Exception ex) {
                    System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
                }
            }
        });

        ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                try {
                    Thread.sleep(5 * 1000);
                    ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵3", CharsetUtil.UTF_8));
                    System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
                } catch (Exception ex) {
                    System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
                }
            }
        });

        //解决方案2 : 用户自定义定时任务 -》 该任务是提交到 scheduleTaskQueue中

        ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {

                try {
                    Thread.sleep(5 * 1000);
                    ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵4", CharsetUtil.UTF_8));
                    System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
                } catch (Exception ex) {
                    System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
                }
            }
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);



        System.out.println("go on ...");*/


        System.out.println("服务器读取线程 " + Thread.currentThread().getName() + " channle =" + ctx.channel());
        System.out.println("server ctx =" + ctx);
        System.out.println("看看channel 和 pipeline的关系");
        Channel channel = ctx.channel();
        ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站


        //将 msg 转成一个 ByteBuf
        //ByteBuf 是 Netty 提供的，不是 NIO 的 ByteBuffer.
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("客户端发送消息是:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("客户端地址:" + channel.remoteAddress());
    }

    //数据读取完毕
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    
    

        //writeAndFlush 是 write + flush
        //将数据写入到缓存，并刷新
        //一般讲，我们对这个发送的数据进行编码
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵1", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //处理异常, 一般是需要关闭通道

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
    
    
        ctx.close();
    }
}

方案再说明

Netty 抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负责网络读写操作。
NioEventLoop 表示一个不断循环执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 selector，用于监听绑定在其上的 socket 网络通道。
NioEventLoop 内部采用串行化设计，从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责
• NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
• 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue
• 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel
• 每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上
• 每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline

5.5 异步模型

基本介绍

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的组件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture。
调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果
Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的之上的。callback 就是回调。重点说 Future，它的核心思想是：假设一个方法 fun，计算过程可能非常耗时，等待 fun返回显然不合适。那么可以在调用 fun 的时候，立马返回一个 Future，后续可以通过 Future去监控方法 fun 的处理过程(即： Future-Listener 机制)

Future 说明

表示异步的执行结果, 可以通过它提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等等.
ChannelFuture 是一个接口： public interface ChannelFuture extends Future<Void> 我们可以添加监听器，当监听的事件发生时，就会通知到监听器. 案例说明

工作原理示意图

在这里插入图片描述

说明:

在使用 Netty 进行编程时，拦截操作和转换出入站数据只需要您提供 callback 或利用 future 即可。这使得链式操作简单、高效, 并有利于编写可重用的、通用的代码。
Netty 框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来、解脱出来

Future-Listener 机制

当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作。
常见有如下操作
• 通过 isDone 方法来判断当前操作是否完成；
• 通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功；
• 通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因；
• 通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消；
• 通过 addListener 方法来注册监听器，当操作已完成(isDone 方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果 Future 对象已完成，则通知指定的监听器
举例说明演示：绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
    
     
	if(future.isSuccess()) {
    
     
		System.out.println(newDate() + ": 端口["+ port + "]绑定成功!"); 
	} else{
    
     
		System.err.println("端口["+ port + "]绑定失败!"); 
	} 
});

小结：
相比传统阻塞 I/O，执行 I/O 操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O 操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量

6、Netty 核心模块组件

6.1 Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类， ServerBootstrap 是服务端启动引导类
常见的方法有
• public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup)，该方法用于服务器端，用来设置两个EventLoop
• public B group(EventLoopGroup group) ，该方法用于客户端，用来设置一个 EventLoop
• public B channel(Class<? extends C> channelClass)，该方法用来设置一个服务器端的通道实现
• public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value)，用来给 ServerChannel 添加配置
• public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value)，用来给接收到的通道添加配置
• public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler)，该方法用来设置业务处理类（自定义的 handler）
• public ChannelFuture bind(int inetPort) ，该方法用于服务器端，用来设置占用的端口号
• public ChannelFuture connect(String inetHost, int inetPort) ，该方法用于客户端，用来连接服务器端

6.2 Future、ChannelFuture

Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件
常见的方法有
• Channel channel()，返回当前正在进行 IO 操作的通道
• ChannelFuture sync()，等待异步操作执行完毕

6.3 Channel

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。
通过Channel 可获得当前网络连接的通道的状态
通过Channel 可获得网络连接的配置参数（例如接收缓冲区大小）
Channel 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成
调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方
支持关联 I/O 操作与对应的处理程序
不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应，常用的 Channel 类型:

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

6.4 Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。
当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询 (Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel

6.5 ChannelHandler 及其实现类

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。
ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类
ChannelHandler 及其实现类一览图(后)

在这里插入图片描述

• ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。
//适配器
• ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandlerAdapt er 用于处理出站 I/O 操作。
• ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

我们经常需要自定义一个 Handler 类去继承 ChannelInboundHandlerA dapter，然后通过重写相应方法实现业务逻辑，我们接下来看看一般都需要重写哪些方法

public class ChannelInboundHandlerAdapter extends ChannelHandlerAdapter implements ChannelInboundHandler {
    
     
	public ChannelInboundHandlerAdapter() {
    
     } 
	public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    
     
		ctx.fireChannelRegistered(); 
	}
	public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    
     
		ctx.fireChannelUnregistered(); 
	}	
		
	//通道就绪事件 
	public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    
     
		ctx.fireChannelActive(); 
	}
	public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    
     
		ctx.fireChannelInactive(); 
	}

	//通道读取数据事件 
	public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    
     
		ctx.fireChannelRead(msg); 
	}

6.6 Pipeline 和 ChannelPipeline

ChannelPipeline 是一个重点：

ChannelPipeline 是一个 Handler 的集合，它负责处理和拦截 inbound 或者 outbound 的事件和操作，相当于一个贯穿 Netty 的链。(也可以这样理解： ChannelPipeline 是保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作)
ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互
在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下

• 一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler
• 入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰

常用方法

• ChannelPipeline addFirst(ChannelHandler… handlers)，把一个业务处理类（handler）添加到链中的第一个位置
• ChannelPipeline addLast(ChannelHandler… handlers)，把一个业务处理类（handler）添加到链中的最后一个位置

6.7 ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象
即ChannelHandlerContext 中包含一个具体的事件处理器 ChannelHandler ，同时ChannelHandlerContext 中也绑定了对应的 pipeline 和 Channel 的信息，方便对 ChannelHandler进行调用.
常用方法
• ChannelFuture close()，关闭通道
• ChannelOutboundInvoker flush()，刷新
• ChannelFuture writeAndFlush(Object msg) ，将数据写到 ChannelPipeline 中当前
• ChannelHandler 的下一个 ChannelHandler 开始处理（出站）

6.8 ChannelOption

Netty 在创建 Channel 实例后,一般都需要设置 ChannelOption 参数。
ChannelOption 参数如下:

ChannelOption.SO_BACKLOG
对应 TCP/IP 协议 listen 函数中的 backlog 参数，用来初始化服务器可连接队列大小。服务端处理客户端连接请求是顺序处理的，所以同一时间只能处理一个客户端连接。多个客户端来的时候，服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理，backlog 参数指定了队列的大小。
ChannelOption.SO_KEEPALIVE
一直保持连接活动状态

6.9 EventLoopGroup 和其实现类 NioEventLoopGroup

EventLoopGroup 是一组 EventLoop 的抽象，Netty 为了更好的利用多核 CPU 资源，一般会有多个 EventLoop 同时工作，每个 EventLoop 维护着一个 Selector 实例。
EventLoopGroup 提供 next 接口，可以从组里面按照一定规则获取其中一个 EventLoop来处理任务。在 Netty 服务器端编程中，我们一般都需要提供两个 EventLoopGroup，例如：BossEventLoopGroup 和 WorkerEventLoopGroup。
通常一个服务端口即一个 ServerSocketChannel对应一个Selector 和一个EventLoop 线程。BossEventLoop 负责接收客户端的连接并将 SocketChannel 交给 WorkerEventLoopGroup 来进行 IO 处理，如下图所示

• BossEventLoopGroup 通常是一个单线程的 EventLoop，EventLoop 维护着一个注册了ServerSocketChannel 的 Selector 实例BossEventLoop 不断轮询 Selector 将连接事件分离出来
• 通常是 OP_ACCEPT 事件，然后将接收到的 SocketChannel 交给 WorkerEventLoopGroup
• WorkerEventLoopGroup 会由 next 选择其中一个 EventLoop来将这个 SocketChannel 注册到其维护的 Selector 并对其后续的 IO 事件进行处理

常用方法
• public NioEventLoopGroup()，构造方法
• public Future<?> shutdownGracefully()，断开连接，关闭线程

6.10 Unpooled 类

Netty 提供一个专门用来操作缓冲区(即Netty的数据容器)的工具类
常用方法如下所示 //通过给定的数据和字符编码返回一个 ByteBuf 对象（类似于 NIO 中的 ByteBuffer 但有区别） public static ByteBuf copiedBuffer(CharSequence string, Charset charset)
举例说明Unpooled 获取 Netty的数据容器ByteBuf 的基本使用

7、Google Protobuf

7.1 编码和解码的基本介绍

编写网络应用程序时，因为数据在网络中传输的都是二进制字节码数据，在发送数据时就需要编码，接收数据时就需要解码 [示意图]
codec(编解码器) 的组成部分有两个：decoder(解码器)和 encoder(编码器)。 encoder 负责把业务数据转换成字节码数据，decoder 负责把字节码数据转换成业务数据

7.2 Netty 本身的编码解码的机制和问题分析

Netty 自身提供了一些 codec(编解码器)
Netty 提供的编码器
• StringEncoder，对字符串数据进行编码
• ObjectEncoder，对 Java 对象进行编码
• …
Netty 提供的解码器
• StringDecoder, 对字符串数据进行解码
• ObjectDecoder，对 Java 对象进行解码
• …
Netty 本身自带的 ObjectDecoder 和 ObjectEncoder 可以用来实现 POJO 对象或各种业务对象的编码和解码，底层使用的仍是 Java 序列化技术 , 而Java 序列化技术本身效率就不高，存在如下问题
• 无法跨语言
• 序列化后的体积太大，是二进制编码的 5 倍多。
• 序列化性能太低

7.3 Protobuf基本介绍和使用示意图

Protobuf 是 Google 发布的开源项目，全称 Google Protocol Buffers，是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据串行化，或者说序列化。它很适合做数据存储或 RPC[远程过程调用 remote procedure call ] 数据交换格式
目前很多公司 http+json → tcp+protobuf
参考文档 : https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/proto 语言指南
Protobuf 是以 message 的方式来管理数据的.
支持跨平台、跨语言，即[客户端和服务器端可以是不同的语言编写的] （支持目前绝大多数语言，例如 C++、C#、Java、python 等）
高性能，高可靠性
使用 protobuf 编译器能自动生成代码，Protobuf 是将类的定义使用.proto 文件进行描述。说明，在idea 中编写 .proto 文件时，会自动提示是否下载 .ptotot 编写插件. 可以让语法高亮。
然后通过 protoc.exe 编译器根据.proto 自动生成.java 文件
protobuf 使用示意图

在这里插入图片描述

8、Netty编解码器和handler的调用机制

8.1 基本说明

netty的组件设计：Netty的主要组件有Channel、EventLoop、ChannelFuture、 ChannelHandler、ChannelPipe等
ChannelHandler充当了处理入站和出站数据的应用程序逻辑的容器。例如，实现ChannelInboundHandler接口（或ChannelInboundHandlerAdapter），你就可以接收入站事件和数据，这些数据会被业务逻辑处理。当要给客户端发送响应时，也可以从ChannelInboundHandler冲刷数据。业务逻辑通常写在一个或者多个ChannelInboundHandler中。ChannelOutboundHandler原理一样，只不过它是用来处理出站数据的
ChannelPipeline提供了ChannelHandler链的容器。以客户端应用程序为例，如果事件的运动方向是从客户端到服务端的，那么我们称这些事件为出站的，即客户端发送给服务端的数据会通过pipeline中的一系列 ChannelOutboundHandler，并被这些Handler处理，反之则称为入站的

8.2 编码解码器

当Netty发送或者接受一个消息的时候，就将会发生一次数据转换。入站消息会被解码：从字节转换为另一种格式（比如java对象）；如果是出站消息，它会被编码成字节。
Netty提供一系列实用的编解码器，他们都实现了ChannelInboundHadnler或者 ChannelOutboundHandler接口。在这些类中，channelRead方法已经被重写了。以入站为例，对于每个从入站Channel读取的消息，这个方法会被调用。随后，它将调用由解码器所提供的decode()方法进行解码，并将已经解码的字节转发给ChannelPipeline中的下一个ChannelInboundHandler。

在这里插入图片描述

8.3 解码器-ByteToMessageDecoder

关系继承图
由于不可能知道远程节点是否会一次性发送一个完整的信息， tcp有可能出现粘包拆包的问题，这个类会对入站数据进行缓冲，直到它准备好被处理.
一个关于ByteToMessageDecoder实例分析

public class ToIntegerDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    
     
	@Override protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
    
     
		if (in.readableBytes() >= 4) {
    
     
			out.add(in.readInt()); 
		} 
	} 
}

说明：

这个例子，每次入站从ByteBuf中读取4字节，将其解码为一个int，然后将它添加到下一个List中。当没有更多元素可以被添加到该List中时，它的内容将会被发送给下一个ChannelInboundHandler。 int在被添加到List中时，会被自动装箱为Integer。在调用readInt()方法前必须验证所输入的ByteBuf是否具有足够的数据
decode 执行分析图 [示意图]

Netty的handler链的调用机制

在这里插入图片描述

8.4 解码器-ReplayingDecoder

public abstract class ReplayingDecoder<S> extends ByteToMessageDecoder
ReplayingDecoder扩展了ByteToMessageDecoder类，使用这个类，我们不必调用 readableBytes()方法。参数S指定了用户状态管理的类型，其中Void代表不需要状态管理
应用实例：使用ReplayingDecoder 编写解码器，对前面的案例进行简化 [案例演示]
ReplayingDecoder使用方便，但它也有一些局限性：
• 并不是所有的 ByteBuf 操作都被支持，如果调用了一个不被支持的方法，将会抛出一个 UnsupportedOperationException。
• ReplayingDecoder 在某些情况下可能稍慢于 ByteToMessageDecoder，例如网络缓慢并且消息格式复杂时，消息会被拆成了多个碎片，速度变慢

其它编解码器

LineBasedFrameDecoder：这个类在Netty内部也有使用，它使用行尾控制字符（\n或者\r\n）作为分隔符来解析数据。
DelimiterBasedFrameDecoder：使用自定义的特殊字符作为消息的分隔符。
HttpObjectDecoder：一个HTTP数据的解码器
LengthFieldBasedFrameDecoder：通过指定长度来标识整包消息，这样就可以自动的处理黏包和半包消息。

8.5 Log4j 整合到Netty

在Maven 中添加对Log4j的依赖在 pom.xml
配置 Log4j , 在 resources/log4j.properties
演示整合

9、TCP 粘包和拆包及解决方案

9.1 TCP 粘包和拆包基本介绍

TCP是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发给接收端的包，更有效的发给对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样做虽然提高了效率，但是接收端就难于分辨出完整的数据包了，因为面向流的通信是无消息保护边界的
由于TCP无消息保护边界, 需要在接收端处理消息边界问题，也就是我们所说的粘包、拆包问题, 看一张图
TCP粘包、拆包图解

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到字节数是不确定的，故可能存在以下四种情况：

服务端分两次读取到了两个独立的数据包，分别是D1和D2，没有粘包和拆包

服务端一次接受到了两个数据包，D1和D2 粘合在一起，称之为TCP粘包
服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容，第二次读取到了D2包的剩余内容，这称之为 TCP拆包
服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2 包。

10、Netty 核心源码剖析

10.1 基本说明

只有看过Netty源码，才能说是真的掌握了Netty框架。
在 io.netty.example 包下，有很多Netty源码案例，可以用来分析
源码分析章节是针对有Java项目经验，并且玩过框架源码的人员讲的

在这里插入图片描述

10.2 Netty 启动过程源码剖析

源码剖析目的

用源码分析的方式走一下 Netty （服务器）的启动过程，更好的理解Netty 的整体设计和运行机制。

源码剖析

l 说明：

源码需要剖析到Netty 调用doBind方法，追踪到 NioServerSocketChannel的doBind
并且要Debug 程序到 NioEventLoop类的run代码，无限循环，在服务器端运行。

在这里插入图片描述

Netty启动过程梳理

创建2个 EventLoopGroup 线程池数组。数组默认大小CPU*2，方便chooser选择线程池时提高性能
BootStrap 将 boss 设置为 group属性，将 worker 设置为 childer 属性
通过 bind 方法启动，内部重要方法为 initAndRegister 和 dobind 方法
initAndRegister 方法会反射创建 NioServerSocketChannel 及其相关的 NIO 的对象， pipeline ， unsafe，同时也为 pipeline 初始了 head 节点和 tail 节点。
在register0 方法成功以后调用在 dobind 方法中调用 doBind0 方法，该方法会调用 NioServerSocketChannel 的 doBind 方法对 JDK 的 channel 和端口进行绑定，完成 Netty 服务器的所有启动，并开始监听连接事件

10.3 Netty 接受请求过程源码剖析

源码剖析目的

服务器启动后肯定是要接受客户端请求并返回客户端想要的信息的，下面源码分析 Netty 在启动之后是如何接受客户端请求的
在 io.netty.example 包下

源码剖析

l 说明：

从之前服务器启动的源码中，我们得知，服务器最终注册了一个 Accept 事件等待客户端的连接。我们也知道，NioServerSocketChannel 将自己注册到了 boss 单例线程池（reactor 线程）上，也就是 EventLoop 。
先简单说下EventLoop的逻辑(后面我们详细讲解EventLoop)
✔ EventLoop 的作用是一个死循环，而这个循环中做3件事情：
✔ 有条件的等待 Nio 事件。
✔ 处理 Nio 事件。
✔ 处理消息队列中的任务。
仍用前面的项目来分析：进入到 NioEventLoop 源码中后，在private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch) 方法开始调试
最终我们要分析到AbstractNioChannel 的 doBeginRead 方法，当到这个方法时，针对于这个客户端的连接就完成了，接下来就可以监听读事件了

Netty接受请求过程梳理

总体流程：接受连接----->创建一个新的NioSocketChannel----------->注册到一个 worker EventLoop 上--------> 注册selecot Read 事件。

服务器轮询 Accept 事件，获取事件后调用 unsafe 的 read 方法，这个 unsafe 是 ServerSocket 的内部类，该方法内部由2部分组成
doReadMessages 用于创建 NioSocketChannel 对象，该对象包装 JDK 的 Nio Channel 客户端。该方法会像创建 ServerSocketChanel 类似创建相关的 pipeline ， unsafe，config
随后执行执行 pipeline.fireChannelRead 方法，并将自己绑定到一个 chooser 选择器选择的 workerGroup 中的一个 EventLoop。并且注册一个0，表示注册成功，但并没有注册读（1）事件

10.4 Pipeline Handler HandlerContext创建源码剖析

源码剖析目的

Netty 中的 ChannelPipeline 、 ChannelHandler 和 ChannelHandlerContext 是非常核心的组件, 我们从源码来分析Netty 是如何设计这三个核心组件的，并分析是如何创建和协调工作的.

Pipeline Handler HandlerContext创建过程梳理

每当创建 ChannelSocket 的时候都会创建一个绑定的 pipeline，一对一的关系，创建 pipeline 的时候也会创建 tail 节点和 head 节点，形成最初的链表。
在调用 pipeline 的 addLast 方法的时候，会根据给定的 handler 创建一个 Context，然后，将这个 Context 插入到链表的尾端（tail 前面）。
Context 包装 handler，多个 Context 在 pipeline 中形成了双向链表
入站方向叫 inbound，由 head 节点开始，出站方法叫 outbound ，由 tail 节点开始

10.5 ChannelPipeline 调度 handler 的源码剖析

源码剖析目的

当一个请求进来的时候，ChannelPipeline 是如何调用内部的这些 handler 的呢？我们一起来分析下。
首先，当一个请求进来的时候，会第一个调用 pipeline 的相关方法，如果是入站事件，这些方法由 fire 开头，表示开始管道的流动。让后面的 handler 继续处理

public final ChannelPipeline fireChannelActive() {
    
     
	AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelActive(head); //断点 
	return this; 
}

ChannelPipeline 调度 handler 梳理

Context 包装 handler，多个 Context 在 pipeline 中形成了双向链表，入站方向叫 inbound，由 head 节点开始，出站方法叫 outbound ，由 tail 节点开始。
而节点中间的传递通过 AbstractChannelHandlerContext 类内部的 fire 系列方法，找到当前节点的下一个节点不断的循环传播。是一个过滤器形式完成对handler 的调度

10.6 Netty 心跳(heartbeat)服务源码剖析

源码剖析目的

Netty 作为一个网络框架，提供了诸多功能，比如编码解码等，Netty 还提供了非常重要的一个服务-----心跳机制heartbeat。通过心跳检查对方是否有效，这是 RPC 框架中是必不可少的功能。下面我们分析一下Netty内部心跳服务源码实现。
在这里插入图片描述

源码剖析

l 说明

Netty 提供了 IdleStateHandler ，ReadTimeoutHandler，WriteTimeoutHandler 三个Handler 检测连接的有效性，重点分析 IdleStateHandler .
如图

10.7 Netty 核心组件 EventLoop 源码剖析

源码剖析目的

Echo第一行代码就是：EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); 下面分析其最核心的组件 EventLoop。

10.8 handler 中加入线程池和Context 中添加线程池的源码剖析

源码剖析目的

在 Netty 中做耗时的，不可预料的操作，比如数据库，网络请求，会严重影响 Netty 对 Socket 的处理速度。
而解决方法就是将耗时任务添加到异步线程池中。但就添加线程池这步操作来讲，可以有2种方式，而且这2种方式实现的区别也蛮大的。
处理耗时业务的第一种方式—handler 中加入线程池
处理耗时业务的第二种方式—Context 中添加线程池
我们就来分析下两种方式

11、用Netty 自己实现 dubbo RPC

11.1 RPC基本介绍

RPC（Remote Procedure Call）— 远程过程调用，是一个计算机通信协议。该协议允许运行于一台计算机的程序调用另一台计算机的子程序，而程序员无需额外地为这个交互作用编程
两个或多个应用程序都分布在不同的服务器上，它们之间的调用都像是本地方法调用一样(如图)
常见的 RPC 框架有: 比较知名的如阿里的Dubbo、google的gRPC、Go语言的rpcx、 Apache的thrift， Spring 旗下的 Spring Cloud。

11.2 RPC调用流程

术语说明：在RPC 中， Client 叫服务消费者，Server 叫服务提供者
在这里插入图片描述
PRC调用流程说明
1) 服务消费方(client)以本地调用方式调用服务
2) client stub 接收到调用后负责将方法、参数等封装成能够进行网络传输的消息体
3) client stub 将消息进行编码并发送到服务端
4) server stub 收到消息后进行解码
5) server stub 根据解码结果调用本地的服务
6) 本地服务执行并将结果返回给 server stub
7) server stub 将返回导入结果进行编码并发送至消费方
8) client stub 接收到消息并进行解码
9) 服务消费方(client)得到结果

小结：RPC 的目标就是将 2-8 这些步骤都封装起来，用户无需关心这些细节，可以像调用本地方法一样即可完成远程服务调用。

11.3 自己实现 dubbo RPC(基于Netty)

需求说明

dubbo 底层使用了 Netty 作为网络通讯框架，要求用 Netty 实现一个简单的 RPC 框架
模仿 dubbo，消费者和提供者约定接口和协议，消费者远程调用提供者的服务，提供者返回一个字符串，消费者打印提供者返回的数据。底层网络通信使用 Netty 4.1.20

设计说明

创建一个接口，定义抽象方法。用于消费者和提供者之间的约定。
创建一个提供者，该类需要监听消费者的请求，并按照约定返回数据。
创建一个消费者，该类需要透明的调用自己不存在的方法，内部需要使用 Netty 请求提供者返回数据