《Netty实战-初识netty》
一、什么是Netty？
Netty 是一个广泛使用的 Java 网络编程框架（Netty 在 2011 年获得了Duke's Choice Award，见https://www.java.net/dukeschoice/2011）。它活跃和成长于用户社区，像大型公司 Facebook 和 Instagram 以及流行 开源项目如 Infinispan, HornetQ, Vert.x, Apache Cassandra 和 Elasticsearch 等，都利用其强大的对于网络抽象的核心代码。
反过来，Netty 也从这些开源项目中获益。随着这些项目的作用，Netty 也不断提高了其应用的范围和灵活性，比如已经实现了的协议就有 FTP, SMTP, HTTP, WebSocket 和 SPDY 以及其他二进制和基于文本的协议。
二、Netty并发高？
使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
2.1、IO模型
- Java BIO ： 同步并阻塞(传统阻塞型)
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- 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
- 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。
- Java NIO ： 同步非阻塞
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- 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
- 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。
- Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞
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- 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
- 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。
- IO Multiplex: IO多路复用
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- 传统情况下client与server通信需要一个3个socket(client的socket，server监听client连接的socket，即serversocket，还有一个server中用来和client通信的socket)
- 在IO多路复用中，client与server通信需要的不是socket，而是3个channel，通过channel可以完成与socket同样的操作，channel的底层还是使用的socket进行通信，但是多个channel只对应一个socket(可能不只是一个，但是socket的数量一定少于channel数量)，这样仅仅通过少量的socket就可以完成更多的连接，提高了client容量。
- 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
- Signal driven IO：信号驱动IO
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- 使用信号驱动I/O时，当网络套接字可读后，内核通过发送SIGIO信号通知应用进程，于是应用可以开始读取数据。有时也称此方式为异步I/O。
- 但是严格讲，该方式并不能算真正的异步I/O，因为实际读取数据到应用进程缓存的工作仍然是由应用自己负责的。
2.1、netty的IO模型
Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架
当一个连接建立之后，他有两个步骤要做，第一步是接收完客户端发过来的全部数据，第二步是服务端处理完请求业务之后返回response给客户端
在BIO中，等待客户端发数据这个过程是阻塞的，这样就造成了一个线程只能处理一个请求的情况，而机器能支持的最大线程数是有限的，这就是为什么BIO不能支持高并发的原因。
而NIO中，当一个Socket建立好之后，Thread并不会阻塞去接受这个Socket，而是将这个请求交给Selector，Selector会不断的去遍历所有的Socket，一旦有一个Socket建立完成，他会通知Thread，然后Thread处理完数据再返回给客户端——这个过程是不阻塞的，这样就能让一个Thread处理更多的请求了。
三、Netty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、栈内存和字符串常量池等等，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。
四、netty组成部分
4.1、Channel
Channel 是 NIO 基本的结构。它代表了一个用于连接到实体如硬件设备、文件、网络套接字或程序组件,能够执行一个或多个不同的 I/O 操作（例如读或写）的开放连接。
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。
4.2、Callback
Callback (回调)是一个简单的方法,提供给另一种方法作为引用,这样后者就可以在某个合适的时间调用前者。这种技术被广泛使用在各种编程的情况下,最常见的方法之一通知给其他人操作已完成。
Netty 内部使用回调处理事件时。一旦这样的回调被触发，事件可以由接口 ChannelHandler 的实现来处理。如下面的代码，一旦一个新的连接建立了,调用 channelActive(),并将打印一条消息。
当建立一个新的连接时调用 ChannelActive()
public class ConnectHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { //1
System.out.println(
"Client " + ctx.channel().remoteAddress() + " connected");
}
}4.3、Future
Future 提供了另外一种通知应用操作已经完成的方式。这个对象作为一个异步操作结果的占位符,它将在将来的某个时候完成并提供结果。
JDK 附带接口 java.util.concurrent.Future ,但所提供的实现只允许您手动检查操作是否完成或阻塞了。这是很麻烦的，所以 Netty 提供自己了的实现,ChannelFuture,用于在执行异步操作时使用。
ChannelFuture 提供多个附件方法来允许一个或者多个 ChannelFutureListener 实例。这个回调方法 operationComplete() 会在操作完成时调用。事件监听者能够确认这个操作是否成功或者是错误。如果是后者,我们可以检索到产生的 Throwable。简而言之, ChannelFutureListener 提供的通知机制不需要手动检查操作是否完成的。
每个 Netty 的 outbound I/O 操作都会返回一个 ChannelFuture;这样就不会阻塞。这就是 Netty 所谓的“自底向上的异步和事件驱动”。
下面例子简单的演示了作为 I/O 操作的一部分 ChannelFuture 的返回。当调用 connect() 将会直接是非阻塞的，并且调用在背后完成。由于线程是非阻塞的，所以无需等待操作完成，而可以去干其他事，因此这令资源利用更高效。
异步连接到远程地址
Channel channel = ...;
//不会阻塞
ChannelFuture future = channel.connect(
new InetSocketAddress("127.0.0.1", 25));下面代码描述了如何利用 ChannelFutureListener 。首先，连接到远程地址。接着，通过 ChannelFuture 调用 connect() 来 注册一个新ChannelFutureListener。当监听器被通知连接完成，我们检查状态。如果是成功，就写数据到 Channel，否则我们检索 ChannelFuture 中的Throwable。
注意，错误的处理取决于你的项目。当然,特定的错误是需要加以约束 的。例如,在连接失败的情况下你可以尝试连接到另一个。
Listing 1.4 Callback in action
- 异步连接到远程对等节点。调用立即返回并提供 ChannelFuture。
- 操作完成后通知注册一个 ChannelFutureListener 。
- 当 operationComplete() 调用时检查操作的状态。
- 如果成功就创建一个 ByteBuf 来保存数据。
- 异步发送数据到远程。再次返回ChannelFuture。
- 如果有一个错误则抛出 Throwable,描述错误原因。
Channel channel = ...;
//不会阻塞
ChannelFuture future = channel.connect( //1
new InetSocketAddress("127.0.0.1", 25));
future.addListener(new ChannelFutureListener() { //2
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) {
if (future.isSuccess()) { //3
ByteBuf buffer = Unpooled.copiedBuffer(
"Hello", Charset.defaultCharset()); //4
ChannelFuture wf = future.channel().writeAndFlush(buffer); //5
// ...
} else {
Throwable cause = future.cause(); //6
cause.printStackTrace();
}
}
});4.4、Event 和 Handler
Netty 使用不同的事件来通知我们更改的状态或操作的状态。这使我们能够根据发生的事件触发适当的行为。这些行为可能包括：
- 日志
- 数据转换
- 流控制
- 应用程序逻辑
由于 Netty 是一个网络框架,事件很清晰的跟入站或出站数据流相关。因为一些事件可能触发传入的数据或状态的变化包括:
- 活动或非活动连接
- 数据的读取
- 用户事件
- 错误
出站事件是由于在未来操作将触发一个动作。这些包括:
- 打开或关闭一个连接到远程
- 写或冲刷数据到 socket
每个事件都可以分配给用户实现处理程序类的方法。这说明了事件驱动的范例可直接转换为应用程序构建块。
一个事件可以由一连串的事件处理器来处理
Figure 1.3 Event Flow
Netty 的 ChannelHandler 是各种处理程序的基本抽象。想象下，每个处理器实例就是一个回调，用于执行对各种事件的响应。
在此基础之上，Netty 也提供了一组丰富的预定义的处理程序,您可以开箱即用。比如，各种协议的编解码器包括 HTTP 和 SSL/TLS。在内部,ChannelHandler 使用事件和 future 本身,创建具有 Netty 特性抽象的消费者。
4.5、整合
4.5.1、Future, Callback 和 Handler
Netty 的异步编程模型是建立在 future 和 callback 的概念上的。所有这些元素的协同为自己的设计提供了强大的力量。
拦截操作和转换入站或出站数据只需要您提供回调或利用 future 操作返回的。这使得链操作简单、高效,促进编写可重用的、通用的代码。一个 Netty 的设计的主要目标是促进“关注点分离”:你的业务逻辑从网络基础设施应用程序中分离。
4.5.2、Selector, Event 和 EventLoop
Netty 通过触发事件从应用程序中抽象出 Selector，从而避免手写调度代码。EventLoop 分配给每个 Channel 来处理所有的事件，包括
- 注册感兴趣的事件
- 调度事件到 ChannelHandler
- 安排进一步行动
该 EventLoop 本身是由一个线程驱动，它给一个 Channel 处理所有的 I/O 事件，并且在 EventLoop 的生命周期内不会改变。这个简单而强大的线程模型消除你可能对你的 ChannelHandler 同步的任何关注，这样你就可以专注于提供正确的回调逻辑来执行。