第一章 Hello World - Netty（一）

東小魚
72 阅读8分钟

1. 前言

1.1 什么是Netty

netty.io/

Netty是一个异步的事件驱动的网络应用程序框架，它提供了异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用于快速开发高性能的网络应用程序。
Netty提供了对NIO的抽象，提供了对TCP和UDP的支持，同时也支持基于SSL/TLS的安全传输。Netty提供了对HTTP、HTTP2、WebSocket和文件传输的支持。Netty可以帮助我们快速开发高性能的网络应用程序。

1.2 Netty的特点

  1. 高性能：Netty的性能比JDK的NIO框架要高。Netty的核心是Epoll，而非NIO。
  2. 高可靠性：Netty提供了一种基于事件和回调机制的高可靠性的TCP和UDP协议栈。
  3. 功能丰富：Netty提供了对HTTP、HTTP2、WebSocket和文件传输的支持。
  4. 易于使用：Netty提供了易于使用的API，同时提供了对线程模型的抽

2. NIO 编程

学习Netty之前，可以先了解一下Java中NIO的一些概念和基础用法，可以更好的帮助我们学习Netty框架，以及Netty是怎么样封装NIO的。

2.1 其他IO模型

  1. BIO（Blocking I/O）：同步阻塞I/O，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。是一个比较传统的通信方式，模式简单，使用方便。但并发处理能力低，通信耗时，依赖网速。
  2. NIO（New I/O）：同步非阻塞I/O，在Java1.4中引入了NIO，NIO 与原来的 I/O 有同样的作用和目的, 他们之间最重要的区别是数据打包和传输的方式。原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。
    面向流的 I/O 系统一次一个字节地处理数据。一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据。
    面向块的 I/O 系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。但是面向块的 I/O - 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。
  3. AIO（Asynchronous I/O）：异步非阻塞I/O，在Java7中，提供了AsynchronousChannel，可以让一个线程从而不阻塞来处理多个任务。是一种非阻塞异步的通信模式。在NIO的基础上引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

2.2 什么是NIO

NIO（Non-blocking I/O）是一种异步非阻塞的I/O模型，在Java中，NIO的实现是通过Channel（通道）和Buffer（缓冲区）来完成的。

2.3 NIO的特点

  1. 非阻塞式：NIO使用非阻塞I/O操作，可以在等待I/O完成时继续执行其他任务，而不需要一直等待。这允许程序能够更高效地利用CPU资源。
  2. 通道和缓冲区：NIO引入了通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的概念。通道是数据源和目标的抽象，可以进行读取和写入操作。缓冲区是用于存储数据的对象，通过缓冲区进行数据的读取和写入。
  3. 多路复用：NIO提供了选择器（Selector）的概念，通过选择器可以同时监听多个通道的事件，实现多路复用。这样可以使用较少的线程来处理多个连接，提高系统的扩展性和性能。
  4. 内存映射文件：NIO提供了内存映射文件（MappedByteBuffer）的功能，可以将文件直接映射到内存中。这样可以在文件和内存之间快速地进行数据传输，提高I/O的效率。
  5. 异步I/O：NIO还支持异步I/O操作，通过使用Future、CompletionHandler等机制，可以在I/O操作完成后得到通知，而不需要一直等待。这使得程序可以并发地执行其他任务，提高系统的并发性能。

3. NIO 的基本开发方式

3.1 通道（Channel）

通道（Channel）是对原IO中的流进行了抽象，Channel本身是一个接口，它负责缓冲区的数据传输。
Channel分为三种：

  1. FileChannel：用于文件操作，可以从文件中读取数据，也可以向文件中写入数据。
  2. SocketChannel：用于TCP网络编程，可以向TCP服务器发送数据，也可以从TCP服务器读取数据。
  3. DatagramChannel：用于UDP套接字的读写操作。

以 FileChannel 为例

public static void main(String[] args) throws IOException {  
    //1 创建Channel通道 FileChannel  
    FileChannel channel = new FileInputStream("file.text").getChannel();  

    //2 创建缓冲区  
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(10);  

    while (true) {  
        //3把通道内获取的文件数据，写入缓冲区  
        int read = channel.read(buffer);  

        if (read == -1) break;  

        //4.程序读取buffer内容，后续的操作。设置buffer为读模式。  
        buffer.flip();  

        //5.循环读取缓冲区中的数据  
        while (buffer.hasRemaining()) {  
            byte b = buffer.get();  
            System.out.println("(char)b = " + (char) b);  
        }  

        //6. 设置buffer的写模式  
        buffer.clear();  
    }  
}

3.2 缓冲区（Buffer）

缓冲区（Buffer）是一块连续的内存区域，用于在通道（Channel）和应用程序之间进行数据传输。缓冲区提供了一种有效地存储和操作数据的方式。
以下是关于缓冲区的一些特点和用法：

  1. 内存结构：缓冲区在内存中是一个数组，可以存储多种基本数据类型的数据，如字节、字符、整数等。缓冲区还包含了一些用于管理数据的指针（position、limit、capacity）。
  2. 读写操作：缓冲区提供了读取和写入数据的方法。可以通过put()方法将数据写入缓冲区，通过get()方法从缓冲区读取数据。读写操作都是相对于当前位置（position）进行的。
  3. 位置（position）：位置表示缓冲区中下一个要读取或写入数据的索引。读取数据后，位置会自动向后移动，写入数据后，位置也会自动向后移动。可以使用position()方法获取当前位置，使用position(int newPosition)方法设置新的位置。
  4. 限制（limit）：限制表示缓冲区中有效数据的末尾索引。在写入数据时，限制可以设置为缓冲区的容量，表示缓冲区已满。在读取数据时，限制可以设置为当前位置，表示缓冲区中有效数据的末尾。可以使用limit()方法获取当前限制，使用limit(int newLimit)方法设置新的限制。
  5. 容量（capacity）：容量表示缓冲区的最大容量，即可以存储的最大数据量。可以使用capacity()方法获取当前容量。
  6. 翻转（flip）：翻转是将缓冲区从写模式切换到读模式的操作。在翻转之前，会将限制设置为当前位置，位置设置为0，以便从缓冲区的开头开始读取数据。
  7. 清空（clear）：清空是将缓冲区从读模式切换到写模式的操作。在清空之前，会将限制设置为容量，位置设置为0，以便从缓冲区的开头开始写入数据。
  8. 可读可写：缓冲区可以用于读取数据到通道，也可以用于将数据从通道写入缓冲区。

常见Buffer:

  1. ByteBuffer (常用)
  2. CharBuffer (常用)
  3. DoubleBuffer
  4. FloatBuffer
  5. IntBuffer
  6. LongBuffer
  7. ShortBuffer
  8. MappedByteBuffer (内存映射文件)

3.3 选择器（Selector）

选择器（Selector）是一种用于多路复用的机制，可以同时监听多个通道（Channel）的事件。选择器允许单个线程处理多个通道的I/O操作，从而提高系统的扩展性和性能。以下是关于选择器的一些特点和用法：

  1. 监听多个通道：选择器可以注册和管理多个通道，如SocketChannel、ServerSocketChannel等。通过选择器，可以监听通道上的事件，例如读取可用数据、连接建立等。
  2. 非阻塞操作：选择器使用非阻塞模式进行操作。在非阻塞模式下，可以立即返回就绪的通道，而不需要一直等待。这使得程序可以同时处理多个通道的I/O操作，提高系统的并发性能。
  3. 事件类型：选择器监听的事件类型包括读取事件（SelectionKey.OP_READ）、写入事件（SelectionKey.OP_WRITE）、连接事件（SelectionKey.OP_CONNECT）和接受连接事件（SelectionKey.OP_ACCEPT）等。
  4. SelectionKey：每个注册到选择器的通道都会对应一个SelectionKey对象，它表示了通道和选择器之间的关联关系。SelectionKey包含了通道和选择器的状态信息，可以用于识别就绪的事件和操作对应的通道。
  5. 就绪集合：选择器会维护一个就绪集合（selected set），其中包含了就绪的通道和对应的事件类型。通过选择器的select()方法可以获取就绪集合，并进行相应的处理。
  6. 轮询就绪事件：选择器的select()方法是阻塞的，直到至少一个通道就绪或超时。可以使用selectNow()方法进行非阻塞的轮询，或者使用带有超时参数的select(long timeout)方法进行有限时间的阻塞。
  7. 取消注册：通道可以通过调用SelectionKey的cancel()方法来取消在选择器上的注册。这样可以停止监听该通道的事件。

总结

至此，关于NIO的三个核心 缓冲区（Buffer）、选择器（Selector）和通道（Channel）就讲完了，它们共同构成了高性能I/O操作的基础。下一篇再详细展开这三个核心的使用和关键点，怎么使用NIO编程，以及使用原生NIO编程需要注意的点。

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文章参考：孙帅suns Netty应用

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