Netty4学习笔记 --- Netty入门

1、Netty介绍

2、Netty的应用场景

   互联网行业： 在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 RPC 框架使用。典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信。

   游戏行业： 无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用，Netty 作为高性能的基础通信组件，提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈，方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器，地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。
      
   大数据领域： 经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信，它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

3、Java IO

3.1 、I/O 模型基本说明

   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 ；

  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 ；

  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。

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)。

  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。

3.3.1 、 Java BIO 工作机制

工作原理图：

BIO编程简单流程：

(1)服务器端启动一个ServerSocket;

(2)客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户 建立一个线程与之通讯;

(3)客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝;

(4)如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行;

3.3.2 、Java BIO 问题分析

  (1)每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write 。

  (2)当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。

  (3)连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

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。

  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。

  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。

3.4.1 NIO 和 BIO 的比较

  (1)BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多;

  (2)BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的;

  (3)BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道 ;

3.4.2 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图

关系图的说明:

(1)每个channel 都会对应一个Buffer;

(2)Selector 对应一个线程，一个线程对应多个channel(连接);

(3)该图反应了有三个channel注册到该selector;

(4)程序切换到哪个channel是由事件决定的, Event 就是一个重要的概念；

(5)Selector会根据不同的事件，在各个通道上切换；

(6)Buffer就是一个内存块 ， 底层是有一个数组；

(7)数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , 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；

(8)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。

3.4.3 缓冲区(Buffer)

   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:

  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:

  常用Buffer子类一览:

  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:

属性	描述
Capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变 。
Limit	表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。且极限是可以修改的。
Position	位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时都会改变改值，为下次读写作准备。
Mark	标记(mark 一般不用管, 每 flip 一次 mark =-1, 就失效了)

  Buffer类相关方法:

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
}

  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
 }

3.4.3 通道(Channel)

Channel的特点：

1、NIO的通道类似于流，但有些区别如下：

(1)通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写

(2)通道可以实现异步读写数据

(3)通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲

2、BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。

3、Channel在NIO中是一个接口。

public interface Channel extends Closeable{} 

4、常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】**。

5、FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

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

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。

	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（堆外的内存）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 Gathering。