Netty权威指南（二）NIO模型

NIO目录

• 一、NIO编程
• 二、NIO类库和相关概念
• 三、NIO服务端流程分析
• 四、NIO客户端流程分析
• 五、NIO编程的优点
• 源码

一、NIO编程

NIO有两种叫法：有人称之为New I/O；更多的人喜欢称之为Non-block I/O：非阻塞I/O，后者更能体现NIO的特点。
与Socket和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞与非阻塞两种模式。一般来说：低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞I/O以降低编程复杂度；对于高负载、高并发的应用程序，需要使用NIO的非阻塞模式进行开发。

二、NIO类库和相关概念

在Java1.4之前的早期版本，Java对I/O的支持并不完善，开发人员在开发高性能I/O程序的时候，会面临一些巨大的挑战和困难。主要问题如下：

1. 没有数据缓冲区，I/O性能存在问题。
2. 没有Channel通道的概念，只有输入和输出流。
3. 同步阻塞式I/O通信(BIO),通常会导致通信线程被长时间阻塞。
4. 支持的字符集有限，硬件可移植性不好。

NIO 主要有三大核心部分:Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统 IO 基于字节流和字 符流进行操作，而 NIO 基于 Channel 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。

NIO 和传统 IO 之间第一个最大的区别是，IO 是面向流的，NIO 是面向缓冲区的。

缓冲区Buffer

Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据，在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原来I/O的一个重要区别。在面向流的IO中，可以将数据直接写入或者将数据直接得到Stream对象中。
在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的，在读取数据时，他是直接读到缓冲区的；在写入数据时，写入带缓冲区中，任何时候访问NIO中的数据都是通过缓冲区进行操作。
缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组（ByteBuffer）,也可以使用其他种类的数组，但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。
最常用的是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组，每一种Java基本类型都对应有一种缓冲区（除了Boolean）。
ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer。

通道Channel

Channel是一个通道。它就像一个自来水管一样，网络数据通过Channel都读取和写入。通道和流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类）。而通道可以用于读、写或者二者同时进行。Channel是双全工的。同时支持读写操作。

多路复用器Selector

多路复用器Selector是JavaNIO编程的基础。简单来讲：Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectorKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成百上千的客户端。

三、NIO服务端流程分析

1. 打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道。
2. 绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式。
3. 创建Reactor线程创建多路复用器Selector并启动线程。
4. 将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件。
5. 多路复用器Selector在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的Key。
6. 多路复用器Selector监听到有新的客户端接入，处理新的请求，完成TCP三次握手，建立物理链路。
7. 设置客户端链路为非阻塞模式。
8. 将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作。
9. 异步读取客户端请求消息到缓冲区。
10. 对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
11. 将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。

四、NIO客户端流程分析

1. 打开SocketChannel，绑定客户端本地地址。
2. 设置SocketChannel为非阻塞模式。同时设置客户端连接的TCP参数
3. 异步连接服务端
4. 判断连接是否成功。如果连接成功，则直接注册读状态位到多路复用器Selector中，如果当前没有连接成功（异步连接，返回false，说明客户端已经发送sync包，服务端没有返回ack包，物理链路还没有建立）
5. 向Reactor线程的多路复用器注册OP_CONNECT状态位,监听服务端的TCP ACK应答。
6. 创建Reactor线程，创建多路复用器Selector并启动线程。
7. 多路复用器在线程run方法的无限循环体内轮询准备就绪的key。
8. 接收connect事件进行处理。
9. 判断连接结果，如果连接成功，注册读事件到多路复用器。
10. 异步读客户端请求消息到缓冲区。
11. 对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息接收缓冲区Reset，继续读取后续的提交，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排。
12. 将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口将消息异步发送给客户端。

五、NIO编程的优点

NIO编程的难度确实比同步阻塞的BIO编程大很多。我们的NIO实例没有考虑“半包读”和“半包写”，如果加上这些，代码将会更加复杂，既然代码这么复杂，为什么它的应用却越来越广泛呢？使用NIO编程的优点总结如下：

1. 客户端发起的连接时异步的，可以通过在多路复用器注册OP_CONNECT等待后续结果，不需要像之的客户端那样被同步阻塞。
2. SocketChannel的读写操作都是异步的，如果没有可读写的数据它不会同步等待，直接返回，这样IO通信线程就可以处理其他的链路，不需要同步等待这个链路可用。
3. 线程模型的优化，由于JDK的Selector在Linux等主流操作系统上通过epoll实现，它没有连接句柄数的限制（只受限于操作系统的最大句柄数或者对单个进程的句柄限制），这意味着一个Selector线程可以同时处理成千上万个客户端连接，而且性能不会随着客户端的增加而线性下降，因此，它非常适合做高性能、高负载的网络服务器。

源码

TimeServer

创建一个多路复用类（MultiplexerTimeServer）,是一个独立负责的线程，负责轮询多路复用器Selector，可以处理多个客户端的并发接入。

public class TimeServer {
    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        MultiplexerTimeServer timeServer =  new MultiplexerTimeServer(port);
        new Thread(timeServer,"NIO-MultiplexerTimeServer-001").start();
    }

}

MultiplexerTimeServer

package com.lsh.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @author ：LiuShihao
 * @date ：Created in 2021/3/1 12:03 下午
 * @desc ：NIO时间服务器 MulitiplexerTimeServer  多路复用器
 * 它是一个独立的线程，负责轮询多路复用器Selector，可以处理多个客户端的并发接入。
 */
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable{

    private Selector selector;

    private ServerSocketChannel serverChannel;

    private volatile boolean stop;

    /**
     * 初始化多路复用器 绑定监听端口
     * 创建多路复用器Selector、ServerSocketChannel
     * 对Channel和TCP参数进行配置
     * @param port
     */
    public MultiplexerTimeServer(int port) {
        try {
            //创建Reactor线程，创建多路复用器
            selector = Selector.open();
            //打开ServerSocketChannel,用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道
            serverChannel = ServerSocketChannel.open();
            //将Channel设置为异步非阻塞模式，他的backlog设置为1024
            serverChannel.configureBlocking(false);
            //绑定监听接口
            serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port),1024);
            //将ServerSockrtChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            System.out.println("The time server is start in port :"+port);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            //如果资源初始化失败，如端口被占用，则退出
            System.exit(1);
        }

    }

    public void stop(){
        this.stop = true;
    }

    @Override
    public void run() {

        /**
         * 多路复用器在run方法的无限循环体中内轮询准备就绪的key
         * 在while循环体中，循环遍历selector，休眠时间为1秒，无论是否有读写时间发生，selector每隔1s都被唤醒1次
         * 当有处于就绪状态的Channel时，selector将返回该Channel的SelectionKey集合，通过对就绪状态的Channel集合进行迭代，可以进行网络的异步读写操作。
         */
        while(!stop){
            try {
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handlerInput(key);
                    }catch (Exception e){
                        if (key != null){
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }

                }

            } catch (Throwable t) {
                t.printStackTrace();
            }

        }
        //多路复用器关闭 后，所有注册在上面的Channel和Pipe等资源都会被自动用去注册并关闭，所以不需要重复释放资源
        if (selector != null){
            try {
                selector.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    /**
     * 根据SelectorKey的操作位进行判断即可获知网络时间的类型，
     * @param key
     * @throws IOException
     */
    private void handlerInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if (key.isValid()){
            //处理新接入的消息请求
            if (key.isAcceptable()){
                //Accept the new connection
                ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
                //通过ServerSocketChannel的accept接收客户端的链接请求并创建SocketChannel实例,相当于完成了TCP的三次握手，TCP物理链路正式建立。
                SocketChannel sc = ssc.accept();
                //需要将新创建的SocketChannel设置为异步非阻塞，同时也可以对其TCP参数进行设置，例如TCP接收和发送缓冲区的大小等，但作为入门的例子，没有进行额外的参数设置。
                sc.configureBlocking(false);
                // Add the new connection to the selector
                //将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息。
                sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            }
            if (key.isReadable()){
                //Read the data
                SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                // 异步读取客户端消息到缓冲区
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if (readBytes > 0){
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes, "UTF-8");
                    System.out.println("The time server receive order :"+body);
                    String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
                    doWrite(sc,currentTime);
                } else if (readBytes < 0 ){
                    //对端链路关闭
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }else {
                    ;//读到0字节，忽略
                }
            }

        }

    }

    private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException{
        if (response != null && response.trim().length() > 0 ){
            //将消息encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端。
            byte[] bytes = response.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();
            channel.write(writeBuffer);
        }

    }
}

TimeClient

public class TimeClient {

    public static void main(String[] args) {
        int port = 8080;
        //通过创建TimeClient线程来处理异步连接和读写操作
        new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1",port),"TimeClinet-001").start();
    }
}

TimeClientHandle

package com.lsh.nio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * @author ：LiuShihao
 * @date ：Created in 2021/3/1 2:18 下午
 * @desc ：NIO时间服务器客户端 Handle
 */
public class TimeClientHandle  implements Runnable {
    private String host;
    private int port;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private volatile  boolean stop;





    public TimeClientHandle(String host, int port) {
        this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host;
        this.port = port;
        try {
            selector = Selector.open();
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try{
            doConnect();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
            System.exit(1);
        }
        while(!stop){
            try{
                selector.select(1000);
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                SelectionKey key = null;
                while(it.hasNext()){
                    key = it.next();
                    it.remove();
                    try{
                        handleInput(key);
                    }catch (Exception e){
                        if (key != null){
                            key.cancel();
                            if (key.channel() != null){
                                key.channel().close();
                            }
                        }
                    }
                }
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                System.exit(1);
            }
        }
        // 多路复用器关闭后，所有注册在上面的Channel和Pige等资源都会被自动去注册并关闭，所以不需要重读释放资源。
        if (selector != null){
            try{
                selector.close();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }

    private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException{
        if (key.isValid()){
            //判断是否连接成功
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            if (key.isConnectable()){
                if (sc.finishConnect()){
                    sc.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
                    doWrite(sc);
                }else {
                    //连接失败，进程退出
                    System.exit(1);
                }
            }
            if (key.isReadable()){
                ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                int readBytes = sc.read(readBuffer);
                if (readBytes > 0 ){
                    readBuffer.flip();
                    byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()];
                    readBuffer.get(bytes);
                    String body = new String(bytes,"UTF-8");
                    System.out.println("Now is :"+body);
                    this.stop = true;
                } else if (readBytes < 0 ){
                    key.cancel();
                    sc.close();
                }else {
                    ;//读到0字节，忽略
                }

            }
        }

    }



    private void doConnect() throws IOException{
        //如果直接连接成功，则注册到多路复用器上，发送请求消息，读应答
        if (socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host,port))){
            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
            doWrite(socketChannel);
        }else {
            socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_CONNECT);
        }
    }

    private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException{
        byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);
        writeBuffer.put(req);
        writeBuffer.flip();
        sc.write(writeBuffer);
        if (!writeBuffer.hasRemaining()){
            System.out.println("Send order 2 server succeed.");
        }

    }
}

本文地址：https://blog.csdn.net/DreamsArchitects/article/details/113934075