初识 netty

Netty是一个利用 Java 的高级网络的能力，隐藏其背后的复杂性而提供一个易于使用的 API 的客户端/服务器框架。它是互联网中间件领域使用最广泛最核心的网络通信框架,几乎所有互联网中间件或者大数据领域均离不开Netty。掌握Netty是作为初中级工程师迈向高级工程师最重要的技能之一.

Netty和Tomcat有什么区别？

Netty和Tomcat最大的区别就在于通信协议，Tomcat是基于Http协议的，他的实质是一个基于http协议的web容器，但是Netty不一样，他能通过编程自定义各种协议，因为netty能够通过codec自己来编码/解码字节流，完成类似redis访问的功能，这就是netty和tomcat最大的不同。

为什么Netty受欢迎？

并发高
传输快
封装好

那么什么是netty呢？
Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于BIO（Blocking I/O，阻塞IO），他的并发性能得到了很大提高。
我们先来看看传统的io模型：

public class IOServer {

    /**
     * Server服务端首先创建ServerSocket监听8000端口,然后创建线程不断调用阻塞方法 serversocket.accept()获取新的连接,当获取到新的连接给每条连接创建新的线程负责从该连接中读取数据,然后读取数据是以字节流的方式
     *
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000);

        //接收新连接线程
        new Thread(() -> {
            try {
                //(1)阻塞方法获取新的连接
                Socket socket = serverSocket.accept();

                //(2)每一个新的连接都创建一个线程,负责读取数据
                new Thread(() -> {
                    try {
                        byte[] data = new byte[1024];
                        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                        while (true) {
                            int len;
                            //(3)按照字节流方式读取数据
                            while ((len = inputStream.read(data)) != -1)
                                System.out.println(new String(data, 0, len));
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }).start();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}
public class IOClient {

    /**
     * Client客户端连接服务端8000端口每隔2秒向服务端写带有时间戳的 "hello world"
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 8000);
                while (true) {
                    try {
                        socket.getOutputStream().write((new Date() + ": hello world").getBytes());
                        socket.getOutputStream().flush();
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

阻塞io的通信方式

传统的io模型每个连接创建成功都需要一个线程来维护，如果连接数很多就需要大量的线程，而线程是操作系统中非常宝贵的资源，一个连接一个线程的方式太过于浪费资源了。而且线程间切换效率低，操作系统频繁切换线程，容易导致应用程序性能急剧下降。此外，数据读写是以字节流为单位效率不高，每次都是从操作系统底层一个字节一个字节读取数据，太慢了。

NIO模型

public class NIOServer {

    /**
     * serverSelector负责轮询是否有新的连接,clientSelector负责轮询连接是否有数据可读.
     * 服务端监测到新的连接不再创建一个新的线程,而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样不用IO模型中1w个while循环在死等
     * clientSelector被一个while死循环包裹,如果在某一时刻有多条连接有数据可读通过 clientSelector.select(1)方法轮询出来进而批量处理
     * 数据的读写以内存块为单位
     *
     * @param args
     * @throws IOException
     */
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector serverSelector = Selector.open();
        Selector clientSelector = Selector.open();

        new Thread(() -> {
            try {
                ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
                serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8000));
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                serverSocketChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

                while (true) {
                    // 轮询监测是否有新的连接
                    if (serverSelector.select(1) > 0) {
                        Set selectionKeys = serverSelector.selectedKeys();
                        Iterator keyIterator = selectionKeys.iterator();
                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey selectionKey = keyIterator.next();
                            if (selectionKey.isAcceptable()) {
                                try {
                                    //(1)每来一个新连接不需要创建一个线程而是直接注册到clientSelector
                                    SocketChannel socketChannel = ((ServerSocketChannel) selectionKey.channel()).accept();
                                    socketChannel.configureBlocking(false);
                                    socketChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    // (2)批量轮询是否有哪些连接有数据可读
                    if (clientSelector.select(1) > 0) {
                        Set selectionKeys = serverSelector.selectedKeys();
                        Iterator keyIterator = selectionKeys.iterator();
                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey selectionKey = keyIterator.next();
                            if (selectionKey.isReadable()) {
                                try {
                                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                    //(3)读取数据以块为单位批量读取
                                    socketChannel.read(byteBuffer);
                                    byteBuffer.flip();
                                    System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer)
                                            .toString());
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                    selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

image.png

NIO的单线程能处理连接的数量比BIO要高出很多，而为什么单线程能处理更多的连接呢？原因就是图二中出现的Selector。对于selector的原理可参考我之前的文章NIO底层原理

Netty为什么传输快？

Netty的传输快其实也是依赖了NIO的一个特性——零拷贝。我们知道，Java的内存有堆内存、栈内存、常量池等等，其中堆内存是占用内存空间最大的一块，也是Java对象存放的地方，一般我们的数据如果需要从IO读取到堆内存，中间需要经过Socket缓冲区，也就是说一个数据会被拷贝两次才能到达他的的终点，如果数据量大，就会造成不必要的资源浪费。Netty针对这种情况，使用了NIO中的另一大特性——零拷贝，当他需要接收数据的时候，他会在堆内存之外开辟一块内存，数据就直接从IO读到了那块内存中去，在netty里面通过ByteBuf可以直接对这些数据进行直接操作，从而加快了传输速度。

传统数据拷贝

零拷贝

为什么说Netty封装好?

public class NettyServer {

    /**
     * 1.boss对应,IOServer.java中的接受新连接线程,主要负责创建新连接
     * 2.worker对应 IOClient.java中的负责读取数据的线程,主要用于读取数据以及业务逻辑处理
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer() {
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler() {
                            @Override
                            protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) throws Exception {
                                System.out.println(msg);
                            }
                        });
                    }
                }).bind(8000);
    }
}
public class NettyClient {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        bootstrap.group(group).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ChannelInitializer() {
            @Override
            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
            }
        });

        Channel channel = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8000).channel();
        while (true) {
            channel.writeAndFlush(new Date() + ": hello world!");
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
}

从代码量上,来看，Netty就已经秒杀传统Socket编程了,在这里先介绍一下Netty的一些重要概念，

Channel：数据传输流，与channel相关的概念有以下四个

channel

Channel，表示一个连接，可以理解为每一个请求，就是一个Channel。

ChannelHandler，核心处理业务就在这里，用于处理业务请求。
ChannelHandlerContext，用于传输业务数据。
ChannelPipeline，用于保存处理过程需要用到的ChannelHandler和ChannelHandlerContext。

ByteBuf
ByteBuf是一个存储字节的容器，最大特点就是使用方便，它既有自己的读索引和写索引，方便你对整段字节缓存进行读写，也支持get/set，方便你对其中每一个字节进行读写，他的数据结构如下图所示：

ByteBuf数据结构

他有2种使用模式：
Heap Buffer 堆缓冲区
堆缓冲区是ByteBuf最常用的模式，他将数据存储在堆空间。
Direct Buffer 直接缓冲区
直接缓冲区是ByteBuf的另外一种常用模式，他的内存分配都不发生在堆，jdk1.4引入的nio的ByteBuffer类允许jvm通过本地方法调用分配内存，这样做有两个好处
通过免去中间交换的内存拷贝, 提升IO处理速度; 直接缓冲区的内容可以驻留在垃圾回收扫描的堆区以外。
DirectBuffer 在 -XX:MaxDirectMemorySize=xxM大小限制下, 使用 Heap 之外的内存, GC对此”无能为力”,也就意味着规避了在高负载下频繁的GC过程对应用线程的中断影响.

Codec
Netty中的编码/解码器，通过他你能完成字节与pojo、pojo与pojo的相互转换，从而达到自定义协议的目的。在Netty里面最有名的就是HttpRequestDecoder和HttpResponseEncoder了。

初识 netty

NIO模型

Netty为什么传输快？

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