Netty详解之一：IO模型与Java NIO

Netty是一个网络IO框架，想要掌握Netty，必须要对于TCP协议、Socket这些基础知识有一个了解。这方面的经典书籍莫过于《UNIX网络编程卷1：套接字联网API》和《TCP-IP详解卷1》。当然，没有这么深厚的基础知识，也不妨碍你使用Netty。

由于Netty是Java领域的框架，因此本系列文章在涉及相关概念时，会优先使用java领域的说法。因此有可能在某些地方显得不够严谨，这首先是本人水平有限所致，有时也是有意为之。

IO模型

在Java网络编程领域，我们通常有三种网络IO模型：bio（Blocking io），nio（non-blocking io），aio。

bio：同步阻塞模型

所有的IO操作都是阻塞的，所以服务端必须为每个连接创建一个线程，实现简单；不能胜任存在大量连接的业务场景。

nio：同步非阻塞模型

也叫selector模型，所有操作都是同步的，但可用一个selector来查询多个连接，哪个链接有响应处理哪个，能够避免阻塞地等待网络事件，一个线程能同时为多个socket连接服务。

aio：异步响应模型

完全的异步响应式模型，底层操作系统做了很多事情，上层程序只需等待系统的响应回调即可；比较新(java 7开始支持)，目前运用还不是特别广泛；

虽然java实现了以上3种模型，旦总体来说，IO模型是偏底层的API，在实现具体业务时，仍然需要开发者做大量网络相关的工作。netty刚好帮我们做了这部分工作，它不仅仅对底层IO模型做了封装，更以reactor模式为蓝本，实现了一个完整、易用的网络应用框。

reactor模型的知识大家自行搜索。

虽然Netty底层使用的socket接口随平台而异（Mac OS上可以使用kqueue，linux上使用epoll），但java nio是最典型的方式；在学习Netty的时候，建议大家先聚焦于Netty nio相关部分。

java NIO简介

先简单介绍一下java nio相关的知识。

核心类型：

java nio有三个核心角色：Channel，Buffer，Selector

• Channel：对socket连接的抽象；
• Buffer：channel和socket之间增加一个缓冲区，实现非阻塞；
• Selector：selector管理一组channel的状态变化，并选择有事件发生channel进行处理。

nio buffer：

buffer是一个内存块，用于业务代码和nio之间传递数据，所有的buffer类型都有4个属性(定义在抽象基类Buffer中）：

• capacity：数据容量，创建时指定，不能修改；
• limit：当前操作模式下的有效终点位置，也即操作不能超过该位置；
• position：下一次操作(读、写）的位置，满足约束position
• mark：记住当前的position，已备后续恢复（有点备忘录模式的思想）；

Buffer的设计追求性能，所以它的接口可读性有点差，使用buffer必须充分理解它的内部结构和工作方式。

nio channel

一个抽象的IO读写通道，它一般基于底层流来工作，常用的实现有：FileChannel，DatagramChannel(UDP)，ServerSocketChannel，SocketChannel。

nio selector:

selector管理多个channel，也叫多路复用选择器；当一个channel有事件发生的时候，selector能够发现它并处理它；所以就达到了用一个线程处理多个channel的效果，减少了系统开销。

Selector是一个抽象类，核心方法：

• open()：静态工厂方法，打开一个选择器；
• selectXXX()：监控所有注册的channel，查看是否有事件发生；
• wakeup()：唤醒一个阻塞的selector（比如调用了阻塞的select方法）；

SelectionKey

SelectionKey代表channel和selector之间的注册关系，在channel注册时创建并返回给使用者。SelectionKey内部有两个状态集合(bit位表示），一个代表selector应当检测的channel状态集合(注册时指定)；一个代表selector当前处于ready的channel状态。不同的channel支持的操作是不同的。

这里所说的“状态“，是指channel当前可以执行的操作，比如“可读、可写“，状态变化又称之为“事件”；因此在不同的语义场景下，“状态”、“操作”、“事件”这几个词可能被交替使用。

NIO示例

用一个简单回响程序来展示java nio的用法，服务端代码如下：

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    	  
    	 //打开channel，绑定地址
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(6666));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

		 //打开Selector，并注册channel，这里关注OP_ACCEPT事件
        Selector selector = Selector.open();
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
            if (selector.select() > 0) {
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                for (SelectionKey key : selectionKeys) {
                    if (key.isAcceptable()) {
                    	//说明有连接请求进来
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();			
                        //接收连接，并将新socketChannel注册到selector
                        SocketChannel clientChannel = channel.accept();
                        clientChannel.configureBlocking(false);
                        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } else if (key.isReadable()) {
                    	//新客户端连接有数据进来，读取并打印
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        channel.read(buffer);
                        buffer.flip();

                        String text = new String(buffer.array(), 0, buffer.limit()).trim();
                        System.out.println("接受到数据：" + text);
                        channel.close();
                    }
                }
                selectionKeys.clear();
            }
        }
    }
}

客户端代码如下

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
    
    	 //打开一个SocketChannel
        SocketChannel clientChannel = SocketChannel.open();
        clientChannel.configureBlocking(false);

		 //连接服务端
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        if (!clientChannel.connect(inetSocketAddress)) {
            while (!clientChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("连续尚未完成");
            }
        }
		
		 //打开Selector，并注册channel，这里只关注OP_WRITE（可写）事件
        Selector selector = Selector.open();
        clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE);

        if (selector.select() > 0) {
            Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
            for (SelectionKey key : selectionKeys) {
                if (key.isWritable()) {
                		//向服务端发送一句话
                    SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello Netty".getBytes());
                    channel.write(buffer);
                }
            }
            selectionKeys.clear();
        }
        clientChannel.close();
    }
}

我们学习Netty并不需要先完整地掌握java nio，但是能看懂上面的代码，了解java nio的工作方式还是必要的。