Netty（一）- Netty与BIO、NIO、AIO介绍

一、Netty的介绍

1. Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架，现为 Github上的独立项目。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

java原生IO是基于TCP/IP的上一层，NIO又对java原生IO进行了封装，而Netty又在NIO基础上进行了封装。

二、Netty的应用场景

1. 互联网行业

（1）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。
（2）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。

2. 游戏行业

（1）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。
（2） 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。
（3）地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。

3. 大数据领域

（1）经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 （Avro实现数据文件的共享） 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨节点通信。
（2）它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

三、I/O模型

（1）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。
（2）Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO。

1. Java BIO

（1）Java BIO 基本介绍

（1）Java BIO 就是传统的java io 编程，其相关的类和接口在 java.io。
（2）BIO(blocking I/O) ：同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为一个连接对应一个线程，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 （阻塞），可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。

（2）Java BIO 工作机制

BIO简单工作流程：

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端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，再继续执行。
   

（3）Java BIO 应用实例

实例说明：
（1）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；
（2）要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端；
（3）服务器端可以接收客户端发送的数据(telnet 方式即可)；

@Slf4j
public class BIOServer {

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

        /**
         * 线程池机制
         * 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);

        log.info("服务器启动了");

        while (true) {
            // 监听，等待客户端连接
            log.info("阻塞等待连接....");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            log.info("连接到一个客户端");

            // 创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)
            newCachedThreadPool.execute(() -> handler(socket));
        }


    }

    // 编写一个handler方法，和客户端通讯
    public static void handler(Socket socket) {

        // 通过socket获取输入流
        try (InputStream inputStream = socket.getInputStream();) {
            byte[] bytes = new byte[1024];

            // 循环的读取客户端发送的数据
            while (true) {
                log.info("阻塞read....");
                int read = inputStream.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    log.info("收到客户端消息:{}", new String(bytes, 0, read)); 
                } else {
                    break;
                }
            }

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

（1）通过telnet方式连接服务端

（2）连接后，先输入CTRL+]，再通过send发送消息
（3）启动2个客户端，并向服务端发送消息


（4）输出日志

23:33:18.906 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 服务器启动了
23:33:18.919 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞等待连接....
23:33:26.258 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 连接到一个客户端
23:33:26.260 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞等待连接....
23:33:26.261 [pool-1-thread-1] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞read....
23:33:37.645 [pool-1-thread-1] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 收到客户端消息:hello1
23:33:37.645 [pool-1-thread-1] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞read....
23:34:20.527 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 连接到一个客户端
23:34:20.527 [main] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞等待连接....
23:34:20.527 [pool-1-thread-2] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞read....
23:34:31.339 [pool-1-thread-2] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 收到客户端消息:hello2
23:34:31.339 [pool-1-thread-2] INFO com.lwk.nettydemo.bio.BIOServer - 阻塞read....

（4）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。

2. Java NIO

（1）Java NIO 基本介绍

（1）Java NIO 全称 java non-blocking IO，是同步非阻塞的，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)，是指 JDK 提供的新 API。
（2）NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行了改写。
（3）NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区)，Selector(选择器) 。
（4）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。
（5）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。
（6）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。
（7）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。
（8）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selector（多路复用器）上，selector轮询到当前连接有I/O请求就进行处理。

（2）Java NIO 三大核心组件原理示意图（简单版）

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；
3. 下图反应了有三个 Channel 注册到该 Selector中；
4. 程序切换到哪个 Channel， 是由事件（Event）决定的；
5. Selector 会根据不同的事件，在各个 Channel 上切换；
6. Buffer 就是一个内存块 ， 底层有一个数组；
7. 数据的读取和写入是通过Buffer，而 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，可以反应底层操作系统的情况，比如Linux ， 底层操作系统的通道就是双向的；
   

3. 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。
但是AIO没有得到广泛的应用。

4. BIO、NIO、AIO适用场景分析

（1）BIO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。
（2）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。
（3）AIO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，充分调用操作系统参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

5. 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 。