coding……
但行好事 莫问前程

Netty基础篇:Netty是什么?

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。

原文链接:《跟闪电侠学Netty》开篇:Netty是什么?

同时博主还有一个关于Netty的掘金小测,配合Netty的相关书籍食用更搭配。《Netty 入门与实战:仿写微信 IM 即时通讯系统》

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:

  1. 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
  2. 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。
  3. 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:

  1. 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。
  2. 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:

  1. 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
  2. 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)
  3. 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)
  4. 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

  1. 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
  2. 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
  3. DK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%
  4. 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

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. Netty解决了JDK的很多包括空轮询在内的bug
  5. 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
  6. 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
  7. Netty社区活跃,遇到问题随时邮件列表或者issue
  8. 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

  1. boos对应了 IOServer.java中的接收新连接线程,主要负责创建新连接
  2. 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。

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