Zhuoli's Blog之前了解过NIO、和Netty的一些概念，但是感觉概念上很晦涩，只是了解简单的概念，也不知道具体该怎么应用。大多数博客讲述的也不是很清楚，昨天一个偶然的机会，读到一个博主的系列文章，感觉写的很好，这里分享一下。
1. IO编程
我们简化下场景：客户端每隔两秒发送一个带有时间戳的”hello world”给服务端，服务端收到之后打印。
为了方便演示，下面例子中，服务端和客户端各一个类，把这两个类拷贝到你的IDE中，先后运行 IOServer.java和 IOClient.java可看到效果。
下面是传统的IO编程中服务端实现
- IOServer.java
/**
* @author 闪电侠
*/
public class IOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000);
// (1) 接收新连接线程
new Thread(() -> {
while (true) {
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) {
}
}).start();
} catch (IOException e) {
}
}
}).start();
}
}server端首先创建了一个 serverSocket来监听8000端口，然后创建一个线程，线程里面不断调用阻塞方法 serversocket.accept();获取新的连接，见(1)，当获取到新的连接之后，给每条连接创建一个新的线程，这个线程负责从该连接中读取数据，见(2)，然后读取数据是以字节流的方式，见(3)。
下面是传统的IO编程中客户端实现
- IOClient.java
/**
* @author 闪电侠
*/
public class IOClient {
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) {
}
}
} catch (IOException e) {
}
}).start();
}
}客户端的代码相对简单，连接上服务端8000端口之后，每隔2秒，我们向服务端写一个带有时间戳的 “hello world”。
IO编程模型在客户端较少的情况下运行良好，但是对于客户端比较多的业务来说，单机服务端可能需要支撑成千上万的连接，IO模型可能就不太合适了，我们来分析一下原因。
上面的demo，从服务端代码中我们可以看到，在传统的IO模型中，每个连接创建成功之后都需要一个线程来维护，每个线程包含一个while死循环，那么1w个连接对应1w个线程，继而1w个while死循环，这就带来如下几个问题：
- 线程资源受限：线程是操作系统中非常宝贵的资源，同一时刻有大量的线程处于阻塞状态是非常严重的资源浪费，操作系统耗不起
- 线程切换效率低下：单机cpu核数固定，线程爆炸之后操作系统频繁进行线程切换，应用性能急剧下降。
- 除了以上两个问题，IO编程中，我们看到数据读写是以字节流为单位，效率不高。
为了解决这三个问题，JDK在1.4之后提出了NIO。
2. NIO编程
关于NIO相关的文章网上也有很多，这里不打算详细深入分析，下面简单描述一下NIO是如何解决以上三个问题的。
2.1 线程资源受限
NIO编程模型中，新来一个连接不再创建一个新的线程，而是可以把这条连接直接绑定到某个固定的线程，然后这条连接所有的读写都由这个线程来负责，那么他是怎么做到的？我们用一幅图来对比一下IO与NIO
如上图所示，IO模型中，一个连接来了，会创建一个线程，对应一个while死循环，死循环的目的就是不断监测这条连接上是否有数据可以读，大多数情况下，1w个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读，因此，很多个while死循环都白白浪费掉了，因为读不出啥数据。
而在NIO模型中，他把这么多while死循环变成一个死循环，这个死循环由一个线程控制，那么他又是如何做到一个线程，一个while死循环就能监测1w个连接是否有数据可读的呢？ 这就是NIO模型中selector的作用，一条连接来了之后，现在不创建一个while死循环去监听是否有数据可读了，而是直接把这条连接注册到selector上，然后，通过检查这个selector，就可以批量监测出有数据可读的连接，进而读取数据，下面我再举个非常简单的生活中的例子说明IO与NIO的区别。
在一家幼儿园里，小朋友有上厕所的需求，小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所，他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友，有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题：
- 每个小朋友配一个老师。每个老师隔段时间询问小朋友是否要上厕所，如果要上，就领他去厕所，100个小朋友就需要100个老师来询问，并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去上，这就是IO模型，一个连接对应一个线程。
- 所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所，然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所，这就是NIO模型，所有小朋友都注册到同一个老师，对应的就是所有的连接都注册到一个线程，然后批量轮询。
这就是NIO模型解决线程资源受限的方案，实际开发过程中，我们会开多个线程，每个线程都管理着一批连接，相对于IO模型中一个线程管理一条连接，消耗的线程资源大幅减少。
2.2 线程切换效率低下
由于NIO模型中线程数量大大降低，线程切换效率因此也大幅度提高。
2.3 IO读写以字节为单位
NIO解决这个问题的方式是数据读写不再以字节为单位，而是以字节块为单位。IO模型中，每次都是从操作系统底层一个字节一个字节地读取数据，而NIO维护一个缓冲区，每次可以从这个缓冲区里面读取一块的数据， 这就好比一盘美味的豆子放在你面前，你用筷子一个个夹（每次一个），肯定不如要勺子挖着吃（每次一批）效率来得高。
简单讲完了JDK NIO的解决方案之后，我们接下来使用NIO的方案替换掉IO的方案，我们先来看看，如果用JDK原生的NIO来实现服务端，该怎么做。
前方高能预警：以下代码可能会让你感觉极度不适，如有不适，请跳过
NIOServer.java
- NIOServer.java
/**
* @author 闪电侠
*/
public class NIOServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector serverSelector = Selector.open();
Selector clientSelector = Selector.open();
new Thread(() -> {
try {
// 对应IO编程中服务端启动
ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8000));
listenerChannel.configureBlocking(false);
listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
// 监测是否有新的连接，这里的1指的是阻塞的时间为1ms
if (serverSelector.select(1) > 0) {
Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.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 clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
clientChannel.configureBlocking(false);
clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
} finally {
keyIterator.remove();
}
}
}
}
}
} catch (IOException ignored) {
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
while (true) {
// (2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读，这里的1指的是阻塞的时间为1ms
if (clientSelector.select(1) > 0) {
Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
while (keyIterator.hasNext()) {
SelectionKey key = keyIterator.next();
if (key.isReadable()) {
try {
SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
// (3) 读取数据以块为单位批量读取
clientChannel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer)
.toString());
} finally {
keyIterator.remove();
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
}
}
}
}
}
} catch (IOException ignored) {
}
}).start();
}
}相信大部分没有接触过NIO的同学应该会直接跳过代码来到这一行：原来使用JDK原生NIO的API实现一个简单的服务端通信程序是如此复杂!
复杂得我都没耐心解释这一坨代码的执行逻辑(开个玩笑)，我们还是先对照NIO来解释一下几个核心思路：
- NIO模型中通常会有两个线程，每个线程绑定一个轮询器selector，在我们这个例子中 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之后，不再创建一个新的线程，而是直接将新连接绑定到 clientSelector上，这样就不用IO模型中1w个while循环在死等，参见(1)
- clientSelector被一个while死循环包裹着，如果在某一时刻有多条连接有数据可读，那么通过 clientSelector.select(1)方法可以轮询出来，进而批量处理，参见(2)
- 数据的读写以内存块为单位，参见(3)
其他的细节部分，我不愿意多讲，因为实在是太复杂，你也不用对代码的细节深究到底。总之，强烈不建议直接基于JDK原生NIO来进行网络开发，下面是我总结的原因
- JDK的NIO编程需要了解很多的概念，编程复杂，对NIO入门非常不友好，编程模型不友好，ByteBuffer的api简直反人类
- 对NIO编程来说，一个比较合适的线程模型能充分发挥它的优势，而JDK没有给你实现，你需要自己实现，就连简单的自定义协议拆包都要你自己实现
- JDK的NIO底层由epoll实现，该实现饱受诟病的空轮训bug会导致cpu飙升100%
- 项目庞大之后，自行实现的NIO很容易出现各类bug，维护成本较高，上面这一坨代码我都不能保证没有bug
正因为如此，我客户端代码都懒得写给你看了==!，你可以直接使用 IOClient.java与 NIOServer.java通信
JDK的NIO犹如带刺的玫瑰，虽然美好，让人向往，但是使用不当会让你抓耳挠腮，痛不欲生，正因为如此，Netty横空出世！
3. Netty编程
那么Netty到底是何方神圣？ 用一句简单的话来说就是：Netty封装了JDK的NIO，让你用得更爽，你不用再写一大堆复杂的代码了。 用官方正式的话来说就是：Netty是一个异步事件驱动的网络应用框架，用于快速开发可维护的高性能服务器和客户端。
下面是我总结的使用Netty不使用JDK原生NIO的原因
- 使用JDK自带的NIO需要了解太多的概念，编程复杂，一不小心bug横飞
- Netty底层IO模型随意切换，而这一切只需要做微小的改动，改改参数，Netty可以直接从NIO模型变身为IO模型
- Netty自带的拆包解包，异常检测等机制让你从NIO的繁重细节中脱离出来，让你只需要关心业务逻辑
- Netty解决了JDK的很多包括空轮询在内的bug
- Netty底层对线程，selector做了很多细小的优化，精心设计的reactor线程模型做到非常高效的并发处理
- 自带各种协议栈让你处理任何一种通用协议都几乎不用亲自动手
- Netty社区活跃，遇到问题随时邮件列表或者issue
- Netty已经历各大rpc框架，消息中间件，分布式通信中间件线上的广泛验证，健壮性无比强大
看不懂没有关系，这些我们在后续的课程中我们都可以学到，接下来我们用Netty的版本来重新实现一下本文开篇的功能吧
首先，引入Maven依赖
<dependency>
<groupId>io.netty</groupId>
<artifactId>netty-all</artifactId>
<version>4.1.6.Final</version>
</dependency>然后，下面是服务端实现部分
- NettyServer.java
/**
* @author 闪电侠
*/
public class NettyServer {
public static void main(String[] args) {
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
NioEventLoopGroup boos = new NioEventLoopGroup();
NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
serverBootstrap
.group(boos, worker)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
System.out.println(msg);
}
});
}
})
.bind(8000);
}
}
这么一小段代码就实现了我们前面NIO编程中的所有的功能，包括服务端启动，接受新连接，打印客户端传来的数据，怎么样，是不是比JDK原生的NIO编程优雅许多？
初学Netty的时候，由于大部分人对NIO编程缺乏经验，因此，将Netty里面的概念与IO模型结合起来可能更好理解
- boos对应了 IOServer.java中的接收新连接线程，主要负责创建新连接
- 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
然后剩下的逻辑我在后面的系列文章中会详细分析，你可以先把这段代码拷贝到你的IDE里面，然后运行main函数
然后下面是客户端NIO的实现部分
- NettyClient.java
/**
* @author 闪电侠
*/
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<Channel>() {
@Override
protected void initChannel(Channel ch) {
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);
}
}
}在客户端程序中， group对应了我们 IOClient.java中main函数起的线程，剩下的逻辑我在后面的文章中会详细分析，现在你要做的事情就是把这段代码拷贝到你的IDE里面，然后运行main函数，最后回到 NettyIOServer.java的控制台，你会看到效果。
使用Netty之后是不是觉得整个世界都美好了，一方面Netty对NIO封装得如此完美，写出来的代码非常优雅，另外一方面，使用Netty之后，网络通信这块的性能问题几乎不用操心，尽情地让Netty榨干你的CPU吧。