第 1 章 Netty 介绍和应用场景

1.2 Netty 的介绍

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

1.3 Netty 的应用场景

1.3.1互联网行业

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。
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

1.3.2游戏行业

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
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
地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信

1.3.3大数据领域

经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信
它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

1.3.4其它开源项目使用到 Netty

网址: netty.io/wiki/relate…

第 2 章 Java BIO 编程

2.1 I/O 模型

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
Java 共支持 3 种网络编程模型/IO 模式：BIO、NIO、AIO
Java BIO ：同步并阻塞(传统阻塞型)，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
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
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

2.2 BIO、NIO、AIO 适用场景分析

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。
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。
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。

2.3 Java BIO 基本介绍

Java BIO 就是传统的 java io 编程，其相关的类和接口在 java.io
BIO(blocking I/O) ：同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。
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，程序简单易理解

2.4 Java BIO 工作机制

**对 BIO 编程流程的梳理 **

服务器端启动一个 ServerSocket
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建立一个线程与之通讯
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
如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行

2.5 Java BIO 应用实例

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。
要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端.
服务器端可以接收客户端发送的数据(telnet 方式即可)

public static void main(String[] args) throws IOException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了");
        while (true) {
            System.out.println("等待连接...");
            //从服务器中接受到一个服务器连接
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到了一个客户端");
            executorService.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    handler(socket);
                }
            });
        }
    }

根据接收到的socket，获取数据

 //从socket中，获取数据
    public static void handler(Socket socket) {

        try {

            //System.out.println("线程ID="+Thread.currentThread().getId()+" 线程名字="+Thread.currentThread().getName());

            //1. 定义个byte数组用来接受数据
            byte[] bytes = new byte[1024];

            //2. socket的输入流对象
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();

            //3. 循环读取来自客户端的发送的数据，这里可以循环对inputSteam对象进行读取
            while (true){

                System.out.println("线程ID="+Thread.currentThread().getId()+" 线程名字="+Thread.currentThread().getName());

                //4. 每次使用数组对象来接收输入流中的数据

                System.out.println("read...");
                //这里需要注意的是：在read方法中会阻塞
                int read = inputStream.read(bytes);

                //5. 如果读取的数据长度不唯一，则把bytes数组对象，转换为字符串对象
                if(read!=-1){
                    String message = new String(bytes,0,read);

                    System.out.println("客户端发送的消息："+message);
                }else {
                    break;
                }
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");

            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

客户端演示：

# 连接服务器
telnet 127.0.0.1 6666

# 进入会话模式
ctrl+ ]

服务端出现了连接请求：

客户端发送数据：

服务端接收数据：

2.6 Java BIO 问题分析

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
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。
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

第 3 章 Java NIO 编程

3.1 Java NIO 基本介绍

Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。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)，是同步非阻塞的
NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
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
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。
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。
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)简单案例说明

import java.nio.IntBuffer;

public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {

        //声明一个IntBuffer，用于存放int类型的数据，容量为5
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);

        //默认为写模式，直接使用put即可写入数据
        for(int i=0;i<intBuffer.capacity();i++){
            intBuffer.put(i*2);
        }

        //关键代码，用于翻转读模式，写模式
        intBuffer.flip();

        while (intBuffer.hasRemaining()){
            int i = intBuffer.get();
            System.out.println("buffer中的结果为："+i);
        }
    }
}

3.2 NIO 和 BIO 的比较

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
BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
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

3.3 NIO 三大核心原理示意图

Selector 、 Channel 和 Buffer之间的关系

每个 channel 都会对应一个 Buffer
Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 channel(连接)
该图反应了有三个 channel 注册到该 selector //程序
程序切换到哪个 channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换
Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组
数据的读取写入是通过 Buffer, 这个和 BIO , 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 channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如 Linux ，底层的操作系统通道就是双向的

3.4 缓冲区

基本介绍

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer，如图

Buffer 类及其子类

在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图:
Buffer 类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息:

private int mark = -1;
private int position = 0;
private int limit;
private int capacity;

属性	描述
Capacity	容量，即可以容纳的最大数据量；在缓冲区创建时被设定并且不能改变
Limit	表示缓冲区的当前终点，不能对缓冲区超过极限的位置进行读写操作。并且极限是可以修改的
Position	位置，下一个要读或写的元素的索引，每次读写缓冲区数据时，都会改变该值，为下次读写作准备

3.buffer类方法一览表

# jdk 1.4时，引入的API
public final int capacity() //返回此缓冲区的容量
public final int position() //返回此缓冲区的位置
public final Buffer position(int newPosition) //设置缓冲区的位置
public final int limit() //返回此缓冲区的限制
public final Buffer limit(int newLimit) //设置此缓冲区的限制

public final Buffer clear() //清空此缓存区，即将各个标记恢复到初始状态，但是数据没有真正擦除
public final Buffer flip() //反正此缓冲区
public final boolean hasRemaining() //告知在当前位置和限制之间是否有数据
public abstract boolean isReadOnly() //告知此缓冲区是否为只读缓冲区


//jdk1.6 引入的API
public abstract boolean hasArray() //告知此缓冲区是否具有可访问的底层实现数组
public abstract Object array() //返回此缓冲区的底层实现数组

ByteBuffer

从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型(boolean 除外)，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是 ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下

public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) //创建直接缓冲区
public static ByteBuffer allocate(int capacity) //设置缓冲区的初始容量
public abstract byte get() //从当前位置position上get，get之后，position自动+1
public abstract byte get(int index) //从绝对位置get
public abstract ByteBuffer put(byte b) //从当前位置上添加，put之后，position会自动+1
public abstract ByteBuffer put(int index, byte b) //绝对位置上put

3.5 通道(Channel)

基本介绍

NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：

通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
通道可以实现异步读写数据
通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲:

BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel) 是双向的，可以读操作，也可以写操作。
Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
常用的 Channel 类有：

FileChannel
DatagramChannel
ServerSocketChannel
SocketChannel +【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。
基本体系结构

FileChannel 类

FileChannel 主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中 
public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中 
public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

FileChannel 基本案例

3.5.1 本地文件写数据

案例：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将 "hello,你好吗" 写入到 file01.txt 中

public class NIOFileChannel {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        String message="hello,你好吗";

        //创建一个输出流
        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("d:\\a.txt");

        //通过输出流获得一个通道
        FileChannel channel = fileOutputStream.getChannel();

        //创建一个缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        //把消息放入到缓冲区中
        byteBuffer.put(message.getBytes());

        /**
         * Before flip:
         *
         * position=15
         * limit=1024
         * capacity=1024
         */

        //现在要读取byteBuffer中的数据了，需要进行读写切换
        byteBuffer.flip();

        /**
         * After flip
         *
         * position=0
         * limit=15
         * capacity=1024
         */

        //往通道里面写数据
        channel.write(byteBuffer);
        fileOutputStream.close();
    }
}

3.5.2 本地文件读数据

案例：使用前面学习后的 ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将file01.txt中的文本，写入到屏幕中


public class NIOFileChannel02 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //创建文件的输入流
        File file = new File("d:\\a.txt");

        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);

        //通过inputStream 获取对应的Channel
        FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();

        //创建一个缓冲区
        ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate((int) file.length());

        //文件通道把数据读入到缓冲区里面
        fileChannel.read(byteBuffer);

        //直接读取缓冲区的数组，底层就是hb byte数组
        //final byte[] hb; // Non-null only for heap buffers
        byte[] array = byteBuffer.array();

        String message = new String(array);

        System.out.println(message);
    }
}

3.5.3 文件的拷贝

使用一个 Buffer 完成文件读取、写入,使用 FileChannel(通道) 和方法 read , write，完成文件的拷贝


public class NIOFileChannel03 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
        FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();

        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
        FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();

        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);

        while (true){

            byteBuffer.clear();

            /**
             * 读取之前：
             *
             * position=0
             * limit=512
             * capacity=512
             */
            int read = fileChannel01.read(byteBuffer);

            /**
             * 读取之后：
             *
             * position=31
             * limit=512
             * capacity=512
             */
            if(read==-1){
                //读完了
                break;
            }

            byteBuffer.flip();

            /**
             * 翻转之后，切换读取模式：
             *
             * position=0
             * limit=31
             * capacity=512
             */
            fileChannel02.write(byteBuffer);

            /**
             * 读取模式，
             *
             * position=31
             * limit=31
             * capacity=512
             */
        }

        fileInputStream.close();
        fileOutputStream.close();
    }
}

3.5.4 拷贝文件 transferFrom 方法

上个案例使用了ByteBuffer完成了，文件复制，现在直接使用Channel的transferFrom方法，完成文件拷贝


public class NIOFileChannel04 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("E:\\aa.docx");
        FileChannel sourceChannel = fileInputStream.getChannel();

        FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("E:\\aa1.doc");
        FileChannel destChannel = fileOutputStream.getChannel();

        destChannel.transferFrom(sourceChannel,0,sourceChannel.size());

        fileInputStream.close();
        sourceChannel.close();

        fileOutputStream.close();
        destChannel.close();

    }
}

3.6 注意事项和细节

3.6.1 bytebuffer异常

ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常

public class NIOByteBufferPutGet {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        //使用类型化方式放入数据
        buffer.putInt(10);
        buffer.putLong(10L);
        buffer.putChar('你');
        buffer.putShort((short) 11);


        /*
            limit = position;
            position = 0;
            mark = -1;
        */
        buffer.flip();


        //System.out.println(buffer.getLong()); //BufferUnderflowException

        System.out.println(buffer.getInt());
        System.out.println(buffer.getLong());
        System.out.println(buffer.getChar());
        System.out.println(buffer.getShort());
    }
}

3.6.2 readOnlyBuffer

buffer中有一个asReadOnlyBuffer方法，用于获得一个只读buffer，此buffer只能用作于读取数据


public class ReadOnlyBuffer {
    public static void main(String[] args) {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);

        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            buffer.put((byte)i);
        }

        buffer.flip();

        //只读buffer
        ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();

        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()){

            System.out.println(readOnlyBuffer.get());
        }
    }
}

3.6.3 堆外内存进行修改

NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，操作系统不需要拷贝一次，而如何同步到文件由 NIO 来完成

public class MappedByteBufferTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        
        //因为RandomAccessFile可以自由访问文件的任意位置，所以如果我们希望只访问文件的部分内容，那就可以使用RandomAccessFile类
        RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");

        FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();


        /*** 参数 1: FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式
           * 参数 2： 0 ： 可以直接修改的起始位置
           * 参数 3: 5: 是映射到内存的大小(不是索引位置) ,即将 1.txt 的多少个字节映射到内存
           * 可以直接修改的范围就是 0-5
           * 实际类型 DirectByteBuffer */
        MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

        //直接把channel中的数据映射到内存中，在内存中进行修改，减少了一次内存的拷贝，
        //只要进行一次map映射即可

        mappedByteBuffer.put(0,(byte)'H');
        mappedByteBuffer.put(1,(byte)'9');

        randomAccessFile.close();

        System.out.println("修改成功~");
    }
}

3.6.4 分散 & 聚合

在实际的开发当中，当建立通道，开始传输数据的时候，一个buffer可能不够用，这个时候，我们可以使用buffer数组来进行数据传输，这个时候，就有了读取的分散，和写入的聚合

Scattering：将数据写入到 buffer 时，可以采用 buffer 数组，依次写入 [分散]
Gathering: 从 buffer 读取数据时，可以采用 buffer 数组，依次读[聚合]


public class ScatteringAndGatheringTest {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(8000);

        //绑定端口到 socket ，并启动
        serverSocketChannel.bind(inetSocketAddress);

        //创建一个ByteBuffer数组，使用数组来进行数据传输工作
        ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
        byteBuffers[0]=  ByteBuffer.allocate(5);
        byteBuffers[1]=  ByteBuffer.allocate(3);

        //等待客户端连接，这里会进行阻塞
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

        int messageLength=8;

        while (true){
            int byteRead=0;

            while (byteRead<messageLength){

                //读取的数量
                //读取的时候，传入一个缓冲数组
                long l = socketChannel.read(byteBuffers);
                byteRead+=l; //累计读取的字节数

                System.out.println("ByteRead="+byteRead);

                Arrays  .asList(byteBuffers)
                        .stream()
                        .map(buffer->"position="+buffer.position()+",limit="+buffer.limit())
                        .forEach(System.out::println);
            }

            //对所有的buffer进行flip
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(byteBuffer -> byteBuffer.flip());

            //将数据读出显示到客户端
            long byteWrite=0;
            while (byteWrite<messageLength){
                long l = socketChannel.write(byteBuffers);
                byteWrite+=l;
            }

            //将所有的buffer进行clear
            Arrays.asList(byteBuffers).forEach(byteBuffer -> byteBuffer.clear());

            System.out.println("byteRead:=" + byteRead + " byteWrite=" + byteWrite + ", messagelength" + messageLength);
        }
    }
}

客户端

服务端

3.7 选择器 Selector

3.7.1 基本介绍

Java 的 NIO,用非阻塞的 IO 方式.可以用一个线程,处理多个的客户端连接,就会使用到 Selector(选择器)
Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector),如果有事件发生,便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理.这样就可以只用一个单线程去管理多个通道,也就是管理多个连接和请求.【示意图】
只有在连接/通道真正有读写事件发生时,才会进行读写,就大大地减少了系统开销,并且不必为每个连接都创建一个线程,不用去维护多个线程
避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

3.7.2 示意图和特点说明

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器,也叫多路复用器),可以同时并发处理成百上千个客户端连接.
当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时,若没有数据可用时,该线程可以进行其他任务.
线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作,所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道.
由于读写操作都是非阻塞的,这就可以充分提升 IO 线程的运行效率,避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起.
一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作,这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型,架构的性能,弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升.

3.7.3 Selector 类相关方法

Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:

3.8 NIO原理分析图

NIO非阻塞网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel Socket Channel)关系梳理图 1)当客户端连接时，会通过服务器套接字通道得到套接字通道

2)选择器进行监听选择方法，返回有事件发生的通道的个数。

3)将socketChannel注册到Selector上，register(Selector sel，int ops)，一个selector上可以注册多个SocketChannel

4)注册后返回一个SelectionKey，会和该Selector关联（集合)

5）进一步得到各个SelectionKey（有事件发生)

6）在通过SelectionKey反向获取SocketChannel，方法channel（)

7）可以通过得到的channel，完成业务处理

3.9 NIO快速入门

编写一个 NIO 入门案例,实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯(非阻塞)

服务端


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //1. 创建ServerSocketChannel，这个是服务端的通道
        //用于产生 为每个客户端都生成一个SocketChannel通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //2. 创建一个最重要的Selector对象，用于对各种连接请求进行管理
        Selector selector = Selector.open();

        //绑定一个端口6666，在服务端进行监听
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(6666));

        //设置为非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //3. 注册到selector上面，全程由select进行调度使用
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);


        while (true){

            //select方法是一种阻塞方法，必须至少有一个 chanel被选中才能返回
            if(selector.select(1000)==0){
                System.out.println("服务器等待一秒，无连接");
                continue;
            }


            //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey 集合
            // 1.如果返回的>0, 表示已经获取到关注的事件
            // 2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
            // 通过 selectionKeys 反向获取通道
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();


            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            //对选择到的key进行遍历，通过key可以反向的获取通道
            while (keyIterator.hasNext()){
                SelectionKey key = keyIterator.next();

                //根据key对应的通道发生的事件做相应处理

                //如果是OP_Accept,有新的连接客户端到来
                if(key.isAcceptable()){
                    //为该客户端生成一个socketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

                    System.out.println("客户端连接成功，生成了一个socketChannel"+socketChannel.hashCode());

                    //因为我们的ServerSocketChannel是非阻塞的，所以我们新生成的socketChannel
                    //也要设置成非阻塞的
                    socketChannel.configureBlocking(false);

                    //生成了一个新的通道之后，要为这个通道注册到选择器上，这样选择器才能够监听事件
                    //要监听读事件
                    socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));

                }

                if(key.isReadable()){

                    //通过key反向的得到了通道
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel)key.channel();

                    //通过key反向的得到了缓冲区
                    ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();

                    //把通道中的信息内容，读取到缓冲区中
                    socketChannel.read(byteBuffer);

                    System.out.println("from 客户端:"+new String(byteBuffer.array()));
                }

                //当我们处理完一个通道后，要把当前通道给移除，防止重复操作
                keyIterator.remove();
            }
        }
    }
}

客户端


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);


        if(!socketChannel.connect(inetSocketAddress)){
            while (!socketChannel.finishConnect()){
                System.out.println("因为连接需要时间,客户端不会阻塞,可以做其它工作..");
            }
        }

        //连接成功，发送数据
        String str="hello,你好吗";
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(buffer);

        System.in.read();
    }
}

3.10 SelectionKey

SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系, 共四种:

int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16

int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8

int OP_READ：代表读操作，值为 1

int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

源码中：

public static final int OP_READ = 1 << 0; 
public static final int OP_WRITE = 1 << 2; 
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; 
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

3.11 ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接,主要的职责就是为每一个新的连接过来的客户端，生成一个socketChannel
相关方法

public abstract class ServerSocketChannel  extends AbstractSelectableChannel
    implements NetworkChannel
{
  
  //得到一个ServerSocketChannel通道
  public static ServerSocketChannel open() 
  
  //设置服务端口号
  public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)
  
  //设置阻塞或者非阻塞模式
  public abstract SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
  
  //接收一个连接，返回待代表这个连接的通道对象
  //如果这个通道是非阻塞模式，则这个方法在没有等待连接的时候会立即返回
  //如果是则模式，则会一直阻塞直到一个新的连接可用或者一个io错误发生了 
  public abstract SocketChannel accept()
  
  //注册一个选择器，并且设置监听事件，返回一个SelectionKey
  public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)
}

3.12 SocketChannel

SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。主要的职责就是用来交换数据用的

public abstract class SocketChannel
    extends AbstractSelectableChannel
    implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel
{

  //得到一个SocketChannel通道
  public static SocketChannel open()
  
  //设置阻塞模式或者非阻塞模式
  public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)
  
  //连接服务器，如果连接成功，会直接返回true
  public abstract boolean connect(SocketAddress remote) 
  
  //如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作
  public abstract boolean finishConnect() 
}

3.13 NIO 打造群聊系统

1. 编写一个 NIO 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
1. 实现多人群聊
1. 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
1. 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息(有服务器转发得到)

服务端代码

package com.atguigu.groupchat;

/**
 * 1) 编写一个 NIO 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）
 * 2) 实现多人群聊
 * 3) 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能
 * 4) 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息(有服务器转发 得到)
 */


import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.nio.Buffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

/**
 * 最终达到一个什么效果
 * <p>
 * 1. 开启一个服务端，监听端口
 * 2. 一旦客户端进行连接了，就创建一个通道进行监听
 * 3. 服务端中显示上线通知
 * 4. 客户端发送消息，其他客户端可以接收到消息
 * 5. 客户端下线了，服务端能够收到
 */
public class GroupChatServer {

    //定义属性，定义服务端中最为重要的几个组件
    private Selector selector; //选择器
    private ServerSocketChannel listenChannel; //服务端的Socket通道
    private static final int PORT = 5555;   //绑定的端口号


    /**
     * 一旦创建一个实例，就立刻生成一个服务端实例，绑定端口，进行监听连接事件
     */
    public GroupChatServer() {
        //在构造函数中，构建好信息

        try {
            //创建服务端对象的最为重要的几步：

            //第一步：不管是服务端还是客户端都必须创建一个选择器
            selector = Selector.open();

            //第二步：服务端，必须得创建一个ServerSocketChannel通道，用于针对客户端生成一个通道
            listenChannel = ServerSocketChannel.open();

            //第三步：socket():Retrieves a server socket associated with this channel.
            //服务端通道对应的socket，进行绑定
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));

            //必须得设置成非阻塞模式，否则会报异常
            listenChannel.configureBlocking(false);

            //将该listenChannel 注册到selector中
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

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

    }


    /**
     * 监听来自客户端的请求，为每一个连接的客户端新创建一个通道，并且注册读取的事件
     */
    public void listen() {
        try {

            //循环监听，搞一个死循环
            while (true) {

                //这里一直处于阻塞状态，直到有事件生成
                int count = selector.select();

                //当通道接收到当前有数据来了的时候
                if (count > 0) {

                    //在选择器对象中，获取到选择的Key对象集合
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();

                    //对集合对象进行遍历
                    while (iterator.hasNext()) {

                        //得到了最重要的对象 SelectionKey
                        SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                        //如果当前的事件是连接事件，则要为客户端新增一个通道对象
                        if (selectionKey.isAcceptable()) {

                            //这里的accept会针对客户端的连接事件，新增一个socket通道
                            //这里不会阻塞，因为当前已经知道了有一个连接事件到来了，会直接创建
                            SocketChannel socketChannel = listenChannel.accept();

                            //把当前的通道对象设置为非阻塞
                            socketChannel.configureBlocking(false);

                            //当前的这个socket对象，注册到选择器中，用于监听读取事件
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

                            //上线提示：
                            System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + " 已经上线了~");
                        }

                        //当通道是可读状态
                        if (selectionKey.isReadable()) {
                            readData(selectionKey);
                        }


                        //移除当前的key
                        iterator.remove();
                    }

                }

            }

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

    /**
     * 读取来自客户端的消息
     *
     * @param selectionKey
     */
    private void readData(SelectionKey selectionKey) {

        //把通道对象抽出来，因为一旦过程中发生了异常了，在finally中可以close掉
        SocketChannel channel = null;

        try {
            //根据key得到通道对象
            channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

            //创建buffer对象，用于接收来自客户端的数据信息
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int readCount = channel.read(byteBuffer);

            if(readCount>0){
                //如果当前有数据,直接把缓冲区转换为字符串对象
                String msg = new String(byteBuffer.array());

                System.out.println("from "+channel.getRemoteAddress()+"说："+msg);

                //把该消息转发给其他的客户端
                sendMsgToOtherClient(msg,channel);

            }

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

            try {

                //？？？疑问点：为什么这里是可以通过read事件来获取，当前客户端离线了呢？
                //可以通过代码调试，来知道
                /**
                 * 回答：当客户端主动断开连接的时候，也会发送一个可读事件的通知
                 * 但是当这个关闭了的通道，尝试去读取数据的到缓冲区的时候，就会报错：
                 * java.io.IOException: 远程主机强迫关闭了一个现有的连接。
                 * */
                System.out.println(channel.getRemoteAddress()+"离线了~");

                //客户端离线了之后，要取消注册key
                selectionKey.cancel();

                //关闭通道
                channel.close();

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


    }

    /**
     * 把消息发给其他的客户端
     * @param msg
     * @param channel
     */
    private void sendMsgToOtherClient(String msg, SocketChannel channel) throws IOException {
        System.out.println("服务器转发消息中...");

        //获取注册到selector上面的SocketChannel，并且排除Self
        for (SelectionKey selectedKey : selector.keys()) {

            //根据每个key获取所对应的Channel
            Channel targetChannel = selectedKey.channel();

            //发给别人，不要发给自己
            if(targetChannel instanceof SocketChannel && targetChannel!=channel){

                //这里得到了其他的通道
                SocketChannel destChannel = (SocketChannel) targetChannel;

                //准备好一个ByteBuffer进行数据传送
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());

                //往通道里面写数据
                destChannel.write(byteBuffer);
            }
        }

    }


    public static void main(String[] args) {

        GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();
        groupChatServer.listen();


    }
}

客户端代码

package com.atguigu.groupchat;

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

public class GroupChatClient {

    private final String HOST="127.0.0.1";
    private final Integer PORT=5555;
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String userName;

    //构造函数
    public GroupChatClient() throws IOException {

        //不管是服务端，还是客户端，第一件事情就是创建一个Selector对象
        selector = Selector.open();

        //连接服务器
        socketChannel= SocketChannel.open(new InetSocketAddress(HOST,PORT));

        //设置socket通道为非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);

        //把当前的通道，进行注册
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

        //获取客户端的用户信息
        userName = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);

        System.out.println(userName+" is ok");
    }


    //发送信息的方法
    public void send(String msg){
        msg=userName+"说："+msg;
        try {
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());
            socketChannel.write(byteBuffer);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //读取来自服务端的消息
    public void read(){
        try {
            //获取可读取的通道
            int selectCount = selector.select();
            if(selectCount>0){

                //获取当前选择中，所有有事件发生的SelectionKey
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()){

                    SelectionKey selectionKey = iterator.next();

                    //如果当前的key的类型是可读状态
                    if(selectionKey.isReadable()){

                        //获取对应的通道
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();

                        //构建一个buffer
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                        //从通道中读取数据到buffer中
                        channel.read(byteBuffer);

                        //展示数据
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
                    }
                    iterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建一个客户端
        GroupChatClient groupChatClient = new GroupChatClient();

        //新建一个线程，用于，不停的读取来服务器发来的数据
        new Thread(() -> {
            while (true){
                groupChatClient.read();
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        //新建一个输入流
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNext()){
            String line = scanner.nextLine();
            groupChatClient.send(line);
        }
    }
}

演示效果启动服务端和两个客户端

其中一个客户端进行输入

服务端展示

另外一个客户端展示

3.14 NIO与零拷贝

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。我们先来看一下IO模型是如何一步一步的演化的

3.14.1 传统的IO模型

DMA: direct memory access 直接内存拷贝(不使用 CPU)

在传统的IO模型中，有3次上下文切换，2次Cpu拷贝

该图流程如下：

从磁盘中，使用直接内存拷贝到内核缓冲
内存缓冲使用CPU拷贝到用户模式的缓冲区中
业务处理后，再次使用CPU拷贝到 socket的缓冲中
最后使用DMA Copy拷贝到协议栈中

3.14.2 mmap优化

mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户空间的拷贝次数

3.14.3 sendFile 优化

Linux 2.1 版本提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

3.14.4 sendFile再度优化

Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝

这里其实有一次 cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer 但是，拷贝的信息很少，比如 lenght , offset , 消耗低，可以忽略

3.14.5 零拷贝的再次理解

我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据）。
零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

3.14.6 mmap 和 sendFile 的区别

mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。
mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。
sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）

3.14.7 NIO 零拷贝案例

服务端代码

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        //创建一个端口进行监听
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7001);
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);

        //创建一个buffer进行接收
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        while (true) {

            //接收来自客户端的请求
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();

            int readCount = 0;

            while (readCount != -1) {
                try
                {
                    readCount = socketChannel.read(byteBuffer);
                }catch (Exception ex){
                    break;
                }

                //把缓冲区恢复为默认状态
                byteBuffer.rewind();
            }
        }
    }
}

客户端代码

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

        socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",7001));

        String fileName="FSCapture90.zip";

        FileChannel channel = new FileInputStream(fileName).getChannel();

        long startTime = System.currentTimeMillis();
        //在 linux 下一个 transferTo 方法就可以完成传输
        // 在 windows 下 一次调用 transferTo 只能发送 8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要
        long transferCount= channel.transferTo(0, channel.size(), socketChannel);
        long endTime = System.currentTimeMillis()-startTime;
        System.out.println(" 发 送 的 总 的 字 节 数 =" + transferCount + " 耗 时 :" + (System.currentTimeMillis() - startTime));

        channel.close();
    }
}

在和传统IO相比较，这种方式更加的高效

第 4 章 Netty 概述

4.1 原生 NIO 存在的问题

NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

4.2 Netty 官网说明

官网：netty.io/

Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients

4.3 Netty 的优点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装，解决了上述问题。

设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池.
使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。
高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。
安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

4.4 Netty 版本说明

netty 版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x
因为 Netty5 出现重大 bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是 Netty4.x 的稳定版本
目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x 和 netty4.1.x
netty 下载地址： bintray.com/netty/downl…

第 5 章 Netty 高性能架构设计

5.1 线程模型基本介绍

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清 Netty 线程模式，我们来系统的讲解下各个线程模式，最后看看 Netty 线程模型有什么优越性.
目前存在的线程模型有：传统阻塞 I/O 服务模型 Reactor 模式
根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现单 Reactor 单线程；单 Reactor 多线程；主从 Reactor 多线程
Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)

5.2 传统阻塞 I/O 服务模型

5.2.1工作原理图

5.2.2模型特点

采用阻塞 IO 模式获取输入的数据
每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理, 数据返回

5.2.3问题分析

1)当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源

连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在 read 操作，造成线程资源浪费

5.3 Reactor 模式

5.3.1针对传统2个缺点的方案

基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理 Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)
基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务

5.3.2 Reactor模式基本设计思想

复用，线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图

Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)
服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程，因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式
Reactor 模式使用 IO 复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

5.3.3Reactor 模式中核心组成：

Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的工作人员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

5.3.4Reactor 模式分类：

根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现

单 Reactor 单线程
单 Reactor 多线程
主从 Reactor 多线程

5.4 单 Reactor 单线程

原理图

5.4.1方案说明

Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

结合实例：服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑，前面的 NIO 案例就属于这种模型。

5.4.2方案优缺点分析

优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障
使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

5.5 单 Reactor 多线程

5.5.1原理图

5.5.2对上图的小结

Reactor 对象通过 select 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过 dispatch 进行分发
如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
如果不是连接请求，则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务
worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler
handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client

5.5.3方案优缺点分析：

优点：可以充分的利用多核 cpu 的处理能力
缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈.

5.6 主从 Reactor 多线程

5.6.1工作原理图

针对单 Reactor 多线程模型中，Reactor 在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让 Reactor 在多线程中运行

5.6.2上图的方案说明

Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件, 收到事件后，通过 Acceptor 处理连接事件
当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor
subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建 handler 进行各种事件处理
当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的 handler 处理
handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理
worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果

5.6.4方案优缺点说明

优点：父线程与子线程的职责简单明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。
优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。
缺点：编程复杂度较高
结合实例：这种模型在许多项目中广泛使用，包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型，Memcached 主从多线程， Netty 主从多线程模型的支持

5.7 Reactor 模式小结

5.7.13 种模式用生活案例来理解

单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务
单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

5.7.2 Reactor 模式具有如下的优点

响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的
可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

5.8 Netty 模型

5.8.1工作原理示意图 1-简单版

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如图）做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor

5.8.2对上图说明

客户端发起一个连接请求到服务器
BossGroup 线程维护 Selector , 只关注 Accecpt事件，其余事情一概不关心，当接收到 Accept 事件，获取到对应的 SocketChannel,产生一个Socketchannel对象
把SocketChannel封装成 NIOScoketChannel,便于后面的使用
把NIOScoketChannel通道注册到 Worker 线程中(事件循环), 并进行维护
当 Worker 线程监听到 selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理(就由 handler)，注意 handler 已经加入到通道

5.8.3 工作原理示意图 2-进阶版

抽象处理两种类型的线程池 BossGroup,WorkGroup
每个Group里面有一个NIOEventLoop,会针对注册在selector上的线程，进行持续的监听
BossGroup接收到线程，分派给WorkGroup

5.8.4 工作原理示意图 3-最终版

5.8.5对上图的说明小结

Netty 抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写
BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是 NioEventLoop
NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 selector , 用于监听绑定在其上的 socket 的网络通讯
NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个 NioEventLoop
每个 Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有 3 步

轮询 accept 事件
处理 accept 事件 , 与 client 建立连接 , 生成 NioScocketChannel , 并将其注册到某个 worker NIOEventLoop 上的 selector
处理任务队列的任务，即 runAllTasks

每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤

轮询 read, write 事件
处理 i/o 事件，即 read , write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
处理任务队列的任务，即 runAllTasks

每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器

5.8.6Netty 快速入门实例-TCP 服务

Netty 服务器在 6668 端口监听，客户端能发送消息给服务器 "hello, 服务器~"
服务器可以回复消息给客户端 "hello, 客户端~"

NettyServer


import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoop;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建 BossGroup 和 WorkerGroup
        // 说明
        // 1. 创建两个线程组 bossGroup 和 workerGroup
        // 2. bossGroup 只是处理连接请求 , 真正的和客户端业务处理，会交给 workerGroup 完成
        // 3. 两个都是无限循环
        // 4. bossGroup 和 workerGroup 含有的子线程(NioEventLoop)的个数
        // 默认实际 cpu 核数 * 2

        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);

        NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();

        try
        {
            //在创建服务端的时候，配置参数
            //这里使用了一个启动类，用于设置相关参数
            ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();

            bootstrap.group(bossGroup,workGroup) //Netty服务端有两个工作组，这里得设置上
            .channel(NioServerSocketChannel.class) //当前的通道用 NioServerSocketChanel作为服务器的实现
            .option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)// 设置线程队列得到连接个数
            .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true) //设置保持活动连接状态
            .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //创建一个通道初始化对象

                //给pipeline 设置处理器
                @Override
                protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                    ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                }
            });


            System.out.println("服务器 is ready...");

            //绑定一个端口并且同步, 生成了一个 ChannelFuture 对象,启动服务器
            ChannelFuture cf = bootstrap.bind(6668).sync();

            //对关闭通道进行监听
            cf.channel().closeFuture().sync();

        }finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workGroup.shutdownGracefully();
        }

    }
}

NettyServerHandler



/**
 * 定义一个通道入站适配器
 */
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    //读取来自客户端发送的消息，一旦有消息了，就会调用此方法
    //ChannelHandlerContext 上下文对象,里面有管道，地址，通道
    //通道：就是服务端和客户端之间的数据传送，管道：就是处理业务逻辑的Handler链式集合
    //msg 就是客户端发送的消息
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        System.out.println("服务器读取线程："+Thread.currentThread().getName());

        System.out.println("server ctx="+ctx);

        Channel channel = ctx.channel();
        ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();  //本质是一个双向链接, 出站入站

        //将msg转成一个 byteBuf
        //ByteBuf 是 Netty 提供的，不是 NIO 的 ByteBuffer.
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;

        System.out.println("客户端发送的消息是："+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));

        System.out.println("客户端的地址是："+channel.remoteAddress());

    }

    //读取数据完毕
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Hello,客户端",CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //处理异常，一般是需要关闭通道
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

NettyClient


public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //作为客户端来说，则简单一些

        //首先也要创建一个事件循环组，用于一直保持和服务端的连接
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        try{

            //创建客户端的引导对象，用于生成一个Netty客户端
            //这里需要比较的是：服务端使用的是-ServerBootstrap
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();

            //创建了一个bootStrap对象后，就可以对对象进行相关参数设置了
            bootstrap
                .group(group)//第一步就设置一个事件循环组
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //第二步，就是设置处理器
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                        ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
                    }
                });

            //引导类设置完后，要绑定端口
            // 关于 ChannelFuture 要分析，涉及到 netty 的异步模型
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6668).sync();


            //给通道的关闭设置监听，？？？哪里写监听的代码呢？
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();


        }finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

NettyClientHandler


public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    //当通道就绪，就会触发该方法
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("client:"+ctx);

        //就绪后，发送消息给服务端
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Hello server", CharsetUtil.UTF_8));
    }


    //通道中有读取事件
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        ByteBuf byteBuf= (ByteBuf) msg;

        System.out.println("服务器回复的消息："+ byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("服务器的地址："+ctx.channel().remoteAddress());
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

服务端

workGroup默认的线程数量为：CPU内核数*2,本机CPU核数为4，则整个WorkGroup的线程数量为8
每次客户端建立一个连接，都会分配一个线程进行处理
当前第九个客户端到来时，会从头开始使用线程，也就是第一个线程进行处理

客户端

Netty 总篇【持续更新中...】

第 1 章 Netty 介绍和应用场景

1.2 Netty 的介绍

1.3 Netty 的应用场景

1.3.1互联网行业

1.3.2游戏行业

1.3.3大数据领域

1.3.4其它开源项目使用到 Netty

第 2 章 Java BIO 编程

2.1 I/O 模型

2.2 BIO、NIO、AIO 适用场景分析

2.3 Java BIO 基本介绍

2.4 Java BIO 工作机制

2.5 Java BIO 应用实例

2.6 Java BIO 问题分析

第 3 章 Java NIO 编程

3.1 Java NIO 基本介绍

3.2 NIO 和 BIO 的比较

3.3 NIO 三大核心原理示意图

3.4 缓冲区

基本介绍

Buffer 类及其子类

ByteBuffer

3.5 通道(Channel)

基本介绍

FileChannel 类

FileChannel 基本案例

3.5.1 本地文件写数据

3.5.2 本地文件读数据

3.5.3 文件的拷贝

3.5.4 拷贝文件 transferFrom 方法

3.6 注意事项和细节

3.6.1 bytebuffer异常

3.6.2 readOnlyBuffer

3.6.3 堆外内存进行修改

3.6.4 分散 & 聚合

3.7 选择器 Selector

3.7.1 基本介绍

3.7.2 示意图和特点说明

3.7.3 Selector 类相关方法

3.8 NIO原理分析图

3.9 NIO快速入门

3.10 SelectionKey

3.11 ServerSocketChannel

3.12 SocketChannel

3.13 NIO 打造群聊系统

3.14 NIO与零拷贝

3.14.1 传统的IO模型

3.14.2 mmap优化

3.14.3 sendFile 优化

3.14.4 sendFile再度优化

3.14.5 零拷贝的再次理解

3.14.6 mmap 和 sendFile 的区别

3.14.7 NIO 零拷贝案例

第 4 章 Netty 概述

4.1 原生 NIO 存在的问题

4.2 Netty 官网说明

4.3 Netty 的优点

4.4 Netty 版本说明

第 5 章 Netty 高性能架构设计

5.1 线程模型基本介绍

5.2 传统阻塞 I/O 服务模型

5.2.1工作原理图

5.2.2模型特点

5.2.3问题分析

5.3 Reactor 模式

5.3.1针对传统2个缺点的方案

5.3.2 Reactor模式基本设计思想

5.3.3Reactor 模式中 核心组成：

5.3.4Reactor 模式分类：

5.4 单 Reactor 单线程

5.4.1方案说明

5.4.2方案优缺点分析

5.5 单 Reactor 多线程

5.5.1原理图

5.5.2对上图的小结

5.5.3方案优缺点分析：

5.6 主从 Reactor 多线程

5.6.1工作原理图

5.6.2上图的方案说明

5.3.3Reactor 模式中核心组成：