Netty（一）IO模型

1. Netty介绍

Netty 是由JBOSS提供的一个Jave开源框架，是一个异步地、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P2P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。

Netty的应用场景

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框架调用。例如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。

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。地图服务器之间也可以方便地通过Netty进行高性能的通信。

Hadoop的高性能通信和序列化框架组件AVRO的RPC框架，默认采用Netty进行跨界点通信，它的Netty Service是基于Netty框架二次封装实现。Spark、Flink也使用了Netty作为基础通信框架。

由于Netty基于的是NIO，为了更好的理解Netty，下面我们首先介绍IO模型的概念。

2. I/O模型

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受，很大程度上决定了程序通信的性能。Java支持3种网络编程模型（IO模式）：BIO、NIO、AIO

Java BIO（Blocking-IO）：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，会造成不必要的开销
Java NIO（Non-Blocking-IO）：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
Java AIO（Asynchronous IO）：异步非阻塞，AIO 是 Java 1.7 之后引入的包，是 NIO 的升级版本，提供了异步非堵塞的 IO 操作方式，所以人们叫它 AIO（Asynchronous IO），异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

NIO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。Netty基于的是NIO。

AIO方式适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。AIO暂未得到广泛应用。

2.1. BIO

BIO编程的简单流程：

服务端启动一个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信
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，再继续执行

2.2. NIO

NIO有3大核心部分：Channel（通道），Buffer（缓冲区），Selector（选择器）。

NIO是面向缓冲区，或是面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可以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channel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。所以直到数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他事情。非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一下数据到某channel，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。

通俗的说，NIO可以做到用一个线程处理多个操作。假设有10000个请求过来，根据实际情况，可以分配50或100个线程来处理。不像之前的BIO那样必须得10000个处理。

HTTP 2.0 中使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP 1.1 大了好几个数量级。

NIO与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是非阻塞
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：

此关系图说明：

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
该图反应了有3个channel注册到该selector程序
程序切换到哪个channel是由事件决定的，Event就是一个重要概念
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是有本质不同的。BIO中要么是输入流，要么是输出流，不能双向的。但是NIO的Buffer是可读可写的，需要flip() 方法进行切换
Channel是双向的，可以反应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

Buffer（缓冲区）

缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块（实际上操作的是一个数组），该对象提供一组方法，可以更方便的使用内存块。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。

// 举例说明 NIO 中 Buffer 的使用

// 创建一个 buffer，大小为5，即可以存放5个int

IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);

// 向 buffer 中存放数据

for(int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++)

    intBuffer.put(i * 2);

// 从 buffer 取数据

// 将 buffer 转换，读写切换

// intBuffer.flip();

while(intBuffer.hasRemaining()){

    System.out.println(intBuffer.get());

}

Channel（通道）

NIO的Channel类似于流，但有些区别：

Channel可以同时进行读写，而流只能读或只能写
Channel可以实现异步读写数据
Channel可以从缓冲区读取数据，也可以写入数据到缓冲区

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Channel是双向的，可以读、写。

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。

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。

以FileChannel为例，FileChannel主要用于对本地文件进行IO操作，主要有4个方法：

public int read(ByteBuffer dst)，从Channel读取数据并放入缓冲区中
public int write(ByteBuffer src)，把缓冲区的数据写到Channel中
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标Channel中复制数据到当前Channel => 例如做文件拷贝
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前Channel复制给目标Channel

使用样例：

String str = "hello, File Channel";

// 创建一个输出流 -> channel

FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("data/file01.txt");

// 通过 fileOutputStream 获取对应的 FileChannel

// 其实FileChannel是被FileOutputStream包了一层

// fileChannel 的类型其实是 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());

// buffer flip

byteBuffer.flip();

// 将 buffer 数据写入到 fileChannel

fileChannel.write(byteBuffer);

fileOutputStream.close();

两个文件之间copy数据：

FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("data/file01.txt");

FileChannel fileChannel1 = fileInputStream.getChannel();

FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("data/file02.txt");

FileChannel fileChannel2 = fileOutputStream.getChannel();

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);

while (true){

    buffer.clear();

    int read = fileChannel1.read(buffer);

    if (read == -1) break;

    buffer.flip();

    fileChannel2.write(buffer);

}

fileInputStream.close();

fileOutputStream.close();

关于Buffer和Channel的注意事项：

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
可以将一个普通Buffer转成只读Buffer
NIO还提供了MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外内存）中进行修改，而如何同步到文件由NIO来完成
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Gatering

Selector（选择器）

Jave的NIO使用的是非阻塞IO方式，可以用一个线程处理多个客户端的连接，就会使用到Selector。

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channel，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：

特点说明：

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
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channel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

NIO中的ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket。Selector相关方法：

selector.select() // 阻塞
selector.select(1000) // 阻塞1000ms，在1000ms后返回
selector.wakeup() // 唤醒 selector
selector.selectNow() // 不阻塞，立马返还

1. 当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel得到对应的SocketChannel

2. selector开始监听

3. 将SocketChannel注册到Selector上，register(Selector sel, int ops)，一个selector上可以注册多个SocketChannel

4. 注册后返回一个SelectionKey，会和该Selector关联（以集合的方式）

5. Selector进行监听，select()方法，返回有事件发生的通道的个数

6. 进一步得到各个SelectionKey（有事件发生的）

7. 再通过SelectionKey反向获取SocketChannel，channel()

8. 可以通过得到的channel，完成业务处理

服务端代码：

package com.tang.nio;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.nio.ByteBuffer;

import java.nio.channels.*;

import java.util.Set;

public class NIOServer {

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

        // 创建 ServerSocketChannel

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        // 得到一个 Selector 对象

        Selector selector = Selector.open();

        // 绑定一个端口，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);

        // 循环等待客户端连接

        while (true){

            // 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

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();

            // 遍历 Set<SelectionKey>

            for (SelectionKey key : selectionKeys){

                // 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

                    // 该客户端生成一个 SocketChannel

                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                    System.out.println("客户端连接成功，生成一个socketChannel：" + socketChannel.hashCode());

                    // 将 socketChannel 设置为非阻塞

                    socketChannel.configureBlocking(false);

                    // 将当前的 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));

                }

                if(key.isReadable()){  // 发生 OP_READ 事件

                    // 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("from client: " + new String(buffer.array()));

                }

                // 手动从集合中移除当前的 selectionKey，防止重复操作

                selectionKeys.remove(key);

            }

        }

    }

}

客户端代码：

package com.tang.nio;

import java.net.InetAddress;

import java.net.InetSocketAddress;

import java.net.SocketAddress;

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Channel

        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        // 设置非阻塞模式

        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 提供服务器端 ip 与 端口

        InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);

        // 连接服务器

        if (!socketChannel.connect(socketAddress)) {

            while (!socketChannel.finishConnect()) {

                System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其他工作...");

            }

        }

        // 如果连接成功，发送数据

        String str = "hello NIO~";

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());

        // 发送数据，将buffer数据写入 channel

        socketChannel.write(buffer);

        // 让代码停在这

        System.in.read();

    }

}

SelectionKey

SelectionKey，表示Selector和网络通道的注册关系，共4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

ServerSocketChannel

在服务端监听新的客户端Socket连接。

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。

2.3. NIO 与零拷贝

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。

以下是传统 IO 模型下，读取硬盘文件，并经由网络发出：

这里DMA是 Direct Memory Access，表示的是直接内存拷贝（不使用CPU）

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空间的拷贝次数。如下图所示：

mmap并不是零拷贝，只是优化后减少了一次拷贝。

sendFile优化

Linux2.1 版本提供了sendFile函数，其基本原理为：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲进入到SocketBuffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换。

如下图所示：

这种方法相较于之前的方式，减少了上下文切换以及拷贝次数，但仍未实现真正零拷贝。

零拷贝并不是指没有任何拷贝，而是没有CPU拷贝。

在Linux 2.4 版本做了修改，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。

如下图所示：

这里其实还是有一次 cpu 拷贝的，从kernel buffer 到 socket buffer。但是拷贝的信息很少，例如kernel buffer 的 length、offset，消耗低，可以忽略。

零拷贝

提到零拷贝，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）。

零拷贝不仅是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与sendFile的区别

mmap适合小数据量读写，sendFile适合大文件传输。

sendFile可以利用DMA方式，减少CPU拷贝，mmap不能（必须从内核拷贝到Socket缓冲区）。

NIO零拷贝

NIO零拷贝使用的是transferTo实现

2.4. AIO

JDK 7 引入了Asynchronous I/O，即AIO。在进行I/O编程中，常用的2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，叫做异步非阻塞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。

2.5. BIO、NIO、AIO对比

举例：

同步阻塞：到理发店理发，一直等待理发师，直到轮到自己理发
同步非阻塞：到理发店理发，发现前面有人在理发，给理发师说下，自己先干其他事情，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，自己干其他事情，理发师来家里给自己理发

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此 Netty 笔记为学习尚硅谷韩老师讲的 Netty 整理完成，原视频讲解十分详细，建议对 Netty 框架感兴趣的同学们可以看一遍原视频：

https://www.bilibili.com/video/BV1DJ411m7NR