Java网络编程Netty

Netty介绍和应用场景

Netty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。
要透彻理解Netty ，需要先学习 NIO ，这样我们才能阅读 Netty 的源码。

Netty的应用场景

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。

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。

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。

其它开源项目使用到Netty

网址: https://netty.io/wiki/related-projects.html

书籍

Java BIO 编程

IO模型基本说明

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【简单示意图】。
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【简单示意图】。
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。

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。

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。

工作机制

工作原理图

BIO编程简单流程

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。

应用实例

需求

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)。

代码实现

public class BioServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 线程池机制
        // 思路：
        // 1、创建一个线程池
        // 2、如果有客户端连接，就创建一个线程与之通信

        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        // 创建ServerSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务器启动了~~");
        while (true) {
            // 监听
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待连接...");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("==>> 连接到一个客户端");
            // 创建一个线程，与之通信
            executorService.execute(() -> {
                handler(socket);
            });
        }
    }
    /**
     * 编写一个方法，和客户端通信
     */
    private static void handler(Socket socket) {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        try (InputStream is = socket.getInputStream()) {
            // 打印当前线程信息
            printCurThreadInfo();
            // 循环读取客户端发送的数据
            while (true) {
                printCurThreadInfo();
                System.out.println("reading...");
                int read = is.read(bytes);
                if (read != -1) {
                    // 输出客户端发送的数据
                    System.out.println(new String(bytes, 0, read));
                } else {
                    break;
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        } finally {
            System.out.println("关闭和client的连接");
        }
    }

    private static void printCurThreadInfo() {
        Thread curThread = Thread.currentThread();
        System.out.printf("线程信息 id = %s, 名字 = %s\n", curThread.getId(), curThread.getName());
    }
}

测试：

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。

Java NIO编程

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。【基本案例】

/**
 * 举例说明Buffer的使用
 */
public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个Buffer，大小为5
        IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
//        // 向buffer中存放数据
//        intBuffer.put(10);
//        intBuffer.put(11);
//        intBuffer.put(12);
//        intBuffer.put(13);
//        intBuffer.put(14);
        // for循环存放
        for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
            intBuffer.put(i * 2);
        }
        // 如何从buffer读取数据
        // 首先需要将buffer进行读写切换
        intBuffer.flip();

        while (intBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.printf("%s\t", intBuffer.get());
        }
    }
}
// 输出
// 0	2	4	6	8

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。

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。

NIO三大核心原理示意图

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，底层是有一个数组的。
数据的读取写入是通过Buffer，这个和BIO是有本质区别的 , 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。

缓存区(Buffer)

基本介绍

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。

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：
常见Buffer子类一览

* ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区
* ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区
* CharBuffer，存储字符数据到缓冲区
* IntBuffer，存储整数数据到缓冲区
* LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区
* DoubleBuffer，存储小数到缓冲区
* FloatBuffer，存储小数到缓冲区

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：
Buffer类相关方法一览：

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：

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 和 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。

FileChannel

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。

应用实例

本地文件写数据

需求：使用前面学习过的ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将 “hello,尚硅谷” 写入到file01.txt 中，文件不存在就创建。
代码实现：

public class FileChannelCase01 {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "Hello, 尚硅谷";
        // 创建一个输出流
        try (FileOutputStream fos = new FileOutputStream("netty-workspace/atguigu-netty/file01.txt")) {
            // fileChannel真实类型是FileChannelImpl
            FileChannel fileChannel = fos.getChannel();
            // 创建一个缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // 将str放入byteBuffer
            byteBuffer.put(str.getBytes());
            // 对byteBuffer反转
            byteBuffer.flip();
            // 将byteBuffer数据写入到fileChannel
            fileChannel.write(byteBuffer);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

本地文件读数据

需求：使用前面学习过的ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)，将 file01.txt 中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕，假定文件已经存在。
代码实现：

public class FileChannelCase02 {
    public static void main(String[] args) {
        File file = new File("netty-workspace/atguigu-netty/file01.txt");
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file)) {
            // 通过fileInputStream获取对应的FileChannel
            FileChannel fileChannel = fis.getChannel();
            // 创建缓冲区
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
            // 将通道的的数据读到buffer
            fileChannel.read(byteBuffer);
            // 将byteBuffer的字节数据转为String
            System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

使用一个Buffer完成文件读取

需求：使用 FileChannel(通道) ，及其 read、write方法，完成文件的拷贝，拷贝一个文本文件 1.txt。
代码实现：

public class FileChannelCase03 {
    public static void main(String[] args) {
        File file1 = new File("netty-workspace/atguigu-netty/1.txt");
        File file2 = new File("netty-workspace/atguigu-netty/2.txt");
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file1);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file2)) {
            FileChannel fileChannel1 = fis.getChannel();
            FileChannel fileChannel2 = fos.getChannel();
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);

            while (true) {
                /*
                public final Buffer clear() {
                    position = 0;
                    limit = capacity;
                    mark = -1;
                    return this;
                }
                */
                // 这里有一个重要的操作，一定不要忘了
                byteBuffer.clear();
                int read = fileChannel1.read(byteBuffer);
                if (read == -1) {
                    break;
                }
                byteBuffer.flip();
                // 将buffer中的数据数据写入到fileChannel2
                fileChannel2.write(byteBuffer);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

拷贝文件transferFrom 方法

需求：使用 FileChannel(通道) 的方法 transferFrom ，完成文件的拷贝。
代码实现：

public class FileChannelCase04 {
    public static void main(String[] args) {
        String srcFile = "netty-workspace/atguigu-netty/1.jpg";
        String destFile = "netty-workspace/atguigu-netty/2.jpg";
        // 创建一个输入流
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(srcFile);
             FileOutputStream fos = new FileOutputStream(destFile)) {
            FileChannel srcChannel = fis.getChannel();
            FileChannel destChannel = fos.getChannel();

            destChannel.transferFrom(srcChannel, 0, srcChannel.size());
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }
}

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

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 ByteBufferPutGetCase {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(64);

        // 类型化方式放入数据
        byteBuffer.putInt(100);
        byteBuffer.putLong(9);
        byteBuffer.putChar('尚');
        byteBuffer.putShort((short) 4);

        // 取出
        byteBuffer.flip();

        System.out.println(byteBuffer.getInt());
        System.out.println(byteBuffer.getLong());
        System.out.println(byteBuffer.getChar());
        System.out.println(byteBuffer.getShort());
    }
}
100
9
尚
4

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

        // 类型化方式放入数据
        byteBuffer.putInt(100);
        byteBuffer.putLong(9);
        byteBuffer.putChar('尚');
        byteBuffer.putShort((short) 4);

        // 取出
        byteBuffer.flip();

        System.out.println(byteBuffer.getShort());
        System.out.println(byteBuffer.getInt());
        System.out.println(byteBuffer.getLong());
        System.out.println(byteBuffer.getLong());
    }
}
0
6553600
613402
Exception in thread "main" java.nio.BufferUnderflowException
	at java.nio.Buffer.nextGetIndex(Buffer.java:506)
	at java.nio.HeapByteBuffer.getLong(HeapByteBuffer.java:412)
	at com.netty.nio.ByteBufferPutGetCase.main(ByteBufferPutGetCase.java:30)

可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer。

public class ReadOnlyBufferCase {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(64);
        for (int i = 0; i < 64; i++) {
            byteBuffer.put((byte) i);
        }
        byteBuffer.flip();

        // 得到一个只读buffer
        ByteBuffer readOnlyBuffer = byteBuffer.asReadOnlyBuffer();
        System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());

        while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
            System.out.printf("%d ", readOnlyBuffer.get());
        }
        System.out.println();

//        readOnlyBuffer.put((byte) 100);
//        Exception in thread "main" java.nio.ReadOnlyBufferException
//        at java.nio.HeapByteBufferR.put(HeapByteBufferR.java:172)
//        at com.netty.nio.ReadOnlyBufferCase.main(ReadOnlyBufferCase.java:26)
    }
}

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，而如何同步到文件由NIO 来完成。

public class MappedByteBufferCase {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile("netty-workspace/atguigu-netty/1.txt", "rw")) {
            // 获取对应的通道
            FileChannel fileChannel = raf.getChannel();
            /**
             * 参数1：FileChannel.MapMode.READ_WRITE 使用的读写模式
             * 参数2：可以直接修改的起始位置
             * 参数3：映射到内存的大小，即将 1.txt 的多少个字节映射到内存
             */
            MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);

            mappedByteBuffer.put(0, (byte) 'H');
            mappedByteBuffer.put(3, (byte) '9');
        }
    }
}

前面我们讲的读写操作，都是通过一个Buffer 完成的，NIO 还支持通过多个Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering。

/**
 * 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
 */
public class ScatteringAndGatheringCase {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (ServerSocketChannel ssChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7000);

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

            // 创建buffer数组
            ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
            byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
            byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(3);

            // 等待客户端连接
            SocketChannel socketChannel = ssChannel.accept();

            int maxLength = 8;
            // 循环读取
            while (true) {
                int byteRead = 0;
                while (byteRead < maxLength) {
                    long read = socketChannel.read(byteBuffers);
                    byteRead += read;
                    System.out.println("byteRead = " + byteRead);

                    // 使用流打印
                    Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer ->
                            "position=" + buffer.position() + ", limit=" + buffer.limit()
                    ).forEach(System.out::println);
                }
                // 将所有的buffer进行反转
                Arrays.asList(byteBuffers).stream().forEach(Buffer::flip);

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

                // 将所有的buffer进行clear
                Arrays.asList(byteBuffers).stream().forEach(Buffer::clear);

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

选择器(Selector)

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，这时就会使用到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。
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。

Selector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。

Selector类的相关方法

Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下：

注意事项

NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket。
selector 相关方法说明：

* selector.select()//阻塞
* selector.select(1000);//阻塞1000毫秒，在1000毫秒后返回
* selector.wakeup();//唤醒selector
* selector.selectNow();//不阻塞，立马返还

NIO非阻塞网络编程

原理分析

NIO 非阻塞网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 关系梳理图：

当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel。
Selector 进行监听 select 方法，返回有事件发生的通道个数。
将 socketChannel 注册到 Selector 上，register(Selector sel, int ops)，一个selector上可以注册多个SocketChannel。
注册后返回一个 SelectionKey，会和该Selector 关联(集合)。
进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)。
再通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel，方法 channel()。
可以通过得到的 channel，完成业务处理。

快速入门

需求

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）。
目的：理解NIO非阻塞网络编程机制。

代码实现

服务端：

public class NioServer {
    private static final int TIME_1_SECOND = 1000;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建 ServerSocketChannel -> SocketChannel
        try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            // 得到一个Selector对象
            try (Selector selector = Selector.open()) {
                // 绑定一个端口，在服务端监听
                serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
                // 设置为非阻塞
                serverSocketChannel.configureBlocking(false);
                // 把serverSocketChannel注册到selector，其关心的事件是OP_ACCEPT
                serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                // 循环等待客户端连接
                do {
                    if (selector.select(TIME_1_SECOND) == 0) {
                        // 等待1s，没有事件发生
                        System.out.println("服务端等待了1秒，无连接");
                        continue;
                    }
                    // 如果 selector.select() 返回大于0，表示已经获取到事件
                    // 则通过 selector 进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    // 遍历selectionKeys，再通过 SelectionKey  反向获取 SocketChannel
                    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();
                    while (keyIterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = keyIterator.next();
                        // 根据这个key对应的通道发生的事件，做出相应的处理
                        if (key.isAcceptable()) {
                            // 如果是OP_ACCEPT，即有新的客户端连接，则为该客户端生成一个SocketChannel
                            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                            // 将SocketChannel设置为非阻塞
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            System.out.println(socketChannel.hashCode() + "客户端连接成功~~");
                            // 将当前的这个socketChannel注册到selector，关注事件为SelectionKey.OP_READ
                            // 同时给socketChannel关联一个buffer
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
                        }
                        if (key.isReadable()) {
                            // 如果是OP_READ，反向获取 SocketChannel
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
//                            // 获取到该Channel关联的buffer
//                            ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
//                            // 从通道读取buffer里面的数据
//                            channel.read(buffer);
//                            System.out.println("From Client: " + new String(buffer.array(), 0, buffer.position()));
                            int byteRead = 0;
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                            while (true) {
                                buffer.clear();
                                int read = channel.read(buffer);
                                if (read == -1) {
                                    // 当读取长度为-1时，表示客户端断开连接，服务端应当关闭channel
                                    // 或解除对 {@link SelectionKey.OP_READ} 的监听
                                    System.out.println(channel.hashCode() + "客户端断开连接！！");
                                    channel.close();
                                    break;
                                }
                                if (read == 0) {
                                    break;
                                }
                                byteRead += read;
                            }
                            if (byteRead != 0) {
                                System.out.println("From Client: " + new String(buffer.array(), 0, byteRead));
                            }
                        }
                        // 手动从集合中移除掉当前的SelectionKey，防止重复操作
                        keyIterator.remove();
                    }
                } while (true);
            }
        }
    }
}

客户端：

public class NioClient {
    private static final String SERVER_HOST_NAME = "127.0.0.1";
    private static final int SERVER_PORT = 6666;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 得到一个SocketChannel
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            // 设置非阻塞
            socketChannel.configureBlocking(false);
            // 连接服务器端
            if (!socketChannel.connect(new InetSocketAddress(SERVER_HOST_NAME, SERVER_PORT))) {
                while (!socketChannel.finishConnect()) {
                    System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以处理其他事情..");
                }
            }
            System.out.println("连接服务器成功~~");
            // 如果连接成功，就发送数据
            String content = "Hello, 尚硅谷";
            // Wraps a byte array into a buffer
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(content.getBytes());
            // 发送数据，将buffer数据写入到channel
            socketChannel.write(buffer);
            System.in.read();
        }
    }
}

结果输出：

服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
1360875712客户端连接成功~~
From Client: Hello, 尚硅谷
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
1360875712客户端断开连接！！
服务端等待了1秒，无连接
服务端等待了1秒，无连接
...

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：
SelectionKey 相关方法：

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接，相关方法如下：

SockerChannel

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。
相关方法如下：

应用实例-群聊系统

需求

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）。
实现多人群聊。
服务器端：可以监测用户上线、离线，并实现消息转发功能。
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)。
目的：进一步理解NIO非阻塞网络编程机制。

代码实现

服务端：

public class GroupChatServer {
    private Selector selector;
    private ServerSocketChannel listenChannel;

    public GroupChatServer() {
        try {
            // 获取选择器
            selector = Selector.open();
            // 获得ServerSocketChannel
            listenChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 绑定端口
            listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));
            // 设置非阻塞
            listenChannel.configureBlocking(false);
            // 将listenChannel注册到selector
            listenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 监听
     */
    private void listen() {
        try {
            // 循环处理
            do {
                int count = selector.select();
                if (count > 0) {
                    // 有事件，则获取selectionKey集合，并进行遍历
                    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                    while (keyIterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = keyIterator.next();
                        // 监听accept事件
                        if (key.isAcceptable()) {
                            SocketChannel socketChannel = listenChannel.accept();
                            socketChannel.configureBlocking(false);
                            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                            System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress() + " 上线");
                        }
                        if (key.isReadable()) {
                            // 处理读
                            readData(key);
                        }
                        // 删除当前key，防止重复处理
                        keyIterator.remove();
                    }
                } else {
                    System.out.println("等待连接...");
                }
            } while (true);
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 读取客户端消息
     */
    private void readData(SelectionKey key) {
        SocketChannel channel = null;
        try {
            // 得到channel
            channel = (SocketChannel) key.channel();
            // 创建buffer
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int readCount = channel.read(byteBuffer);
            if (readCount > 0) {
                String content = new String(byteBuffer.array());
                System.out.println("From Client: " + content.trim());
                // 向其他客户端转发消息
                sendInfoToOtherClients(content, channel);
            }
        } catch (IOException e) {
            try {
                System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了...");
                key.cancel();
                channel.close();
            } catch (IOException ex) {
                System.out.println(ex.getMessage());
            }
        }
    }

    /**
     * 转发消息给其他客户端（通道）
     */
    private void sendInfoToOtherClients(String content, SocketChannel selfChannel) throws IOException {
        System.out.println("服务器转发消息中...");
        // 遍历所有注册到selector上的SocketChannel，并排除自己
        for (SelectionKey key : selector.keys()) {
            Channel channel = key.channel();
            if (channel instanceof SocketChannel && channel != selfChannel) {
                SocketChannel targetChannel = (SocketChannel) channel;
                targetChannel.configureBlocking(false);
                // 将msg写入buffer
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(content.getBytes());
                // 将buffer的数据写入通道
                targetChannel.write(byteBuffer);
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        GroupChatServer server = new GroupChatServer();
        server.listen();
    }
}

客户端：

public class GroupChatClient {
    private Selector selector;
    private SocketChannel socketChannel;
    private String username;

    public GroupChatClient() {
        try {
            selector = Selector.open();
            socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress(IP, PORT));
            socketChannel.configureBlocking(false);
            socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
            username = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);
            System.out.println(username + " is ok ...");
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 向服务器发送消息
     */
    public void sendInfo(String content) {
        content = username + "说: " + content;
        try {
            socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(content.getBytes()));
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    /**
     * 读取从服务端回复的消息
     */
    public void readInfo() {
        try {
            int readCount = selector.select();
            if (readCount > 0) {
                Iterator<SelectionKey> keyIterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (keyIterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = keyIterator.next();
                    if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        channel.configureBlocking(false);
                        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                        channel.read(byteBuffer);
                        System.out.println(new String(byteBuffer.array()).trim());
                    }
                }
                keyIterator.remove();
            } else {
//                System.out.println("没有可用的通道...");
            }
        } catch (IOException e) {
            System.out.println(e.getMessage());
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        GroupChatClient client = new GroupChatClient();
        // 启动一个线程，每隔3秒读取从服务器发送的数据
        new Thread(() -> {
            do {
                client.readInfo();
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
            } while (true);
        }).start();
        // 发送数据给服务器端
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (scanner.hasNextLine()) {
            client.sendInfo(scanner.nextLine());
        }
    }
}

测试：

============= GroupChatServer
/127.0.0.1:51326 上线
/127.0.0.1:51333 上线
/127.0.0.1:51341 上线
From Client: 127.0.0.1:51326说: 我是51326
服务器转发消息中...
From Client: 127.0.0.1:51333说: 我是51333
服务器转发消息中...
From Client: 127.0.0.1:51341说: 我是51341
服务器转发消息中...

============= GroupChatClient1
127.0.0.1:51326 is ok ...
我是51326
127.0.0.1:51333说: 我是51333
127.0.0.1:51341说: 我是51341

============= GroupChatClient2
127.0.0.1:51333 is ok ...
127.0.0.1:51326说: 我是51326
我是51333
127.0.0.1:51341说: 我是51341

============= GroupChatClient3
127.0.0.1:51341 is ok ...
127.0.0.1:51326说: 我是51326
127.0.0.1:51333说: 我是51333
我是51341

NIO与零拷贝

零拷贝基本介绍

零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。
在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么，他们在 OS 里，到底是怎么样的一个的设计？

传统IO

Java 传统 IO 和网络编程的一段代码：

File file = new File("test.txt");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");

byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);

Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

DMA：direct memory access 直接内存拷贝(不使用CPU)。
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。如下图：
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：
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。具体如下图和小结：这里其实有一次cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer 但是，拷贝的信息很少，比lenght , offset , 消耗低，可以忽略。

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。

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）。

NIO 零拷贝案例

需求

使用传统的IO 方法传递一个大文件.
使用NIO 零拷贝方式传递(transferTo)一个大文件。
看看两种传递方式耗时时间分别是多少。

传统IO-文件传输

服务端：

public class OldIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8000)) {
            do {
                Socket socket = serverSocket.accept();
                try (DataInputStream dis = new DataInputStream(socket.getInputStream())) {
                    byte[] bytes = new byte[4096];
                    while (true) {
                        int readCount = dis.read(bytes, 0, bytes.length);
                        if (readCount == -1) {
                            break;
                        }
                    }
                }
            } while (true);
        }
    }
}

客户端：

public class OldIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (Socket socket = new Socket("localhost", 8000)) {
            String fileName = "netty-workspace/atguigu-netty/test.zip";
            try (FileInputStream fis = new FileInputStream(fileName)) {
                DataOutputStream dos = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());
                byte[] bytes = new byte[4096];
                long total = 0;
                long readCount;
                long startTime = System.currentTimeMillis();
                while ((readCount = fis.read(bytes)) >= 0) {
                    total += readCount;
                    dos.write(bytes);
                }
                long endTime = System.currentTimeMillis();
                System.out.println("发送总字节数：" + total + "，耗时：" + (endTime - startTime) + "ms");
            }
        }
    }
}

零拷贝-文件传输

服务端：

public class NewIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open()) {
            ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8000));
            ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);
            do {
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                int readCount = 0;
                while (readCount != -1) {
                    readCount = socketChannel.read(byteBuffer);
                    // 倒带
                    /*
                    public final Buffer rewind() {
                        position = 0;
                        mark = -1;
                        return this;
                    }
                     */
                    byteBuffer.rewind();
                }
            } while (true);
        }
    }
}

客户端：

public class NewIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8000));
            String fileName = "netty-workspace/atguigu-netty/test.zip";
            try (FileChannel fileChannel = 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transferTo只能发送8M数据，需要分段传输文件
                long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);
                long endTime = System.currentTimeMillis();
                System.out.println("发送的总字节数：" + transferCount + ", 耗时：" + (endTime - startTime) + "ms");
            }
        }
    }
}

transferTo：

Java AIO基本介绍

JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理。
AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。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。
目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于NIO, 而不是AIO，因此我们就不详解AIO了，有兴趣的同学可以参考 <<Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍>> http://www.52im.net/thread-306-1-1.html。

BIO、NIO、AIO比较

举例说明：

同步阻塞：到理发店理发，就一直等理发师，直到轮到自己理发。
同步非阻塞：到理发店理发，发现前面有其它人理发，给理发师说下，先干其他事情，一会过来看是否轮到自己。
异步非阻塞：给理发师打电话，让理发师上门服务，自己干其它事情，理发师自己来家里给你理发。

Java后端架构师的成长之路（三）——Java网络编程Netty（1）

Java网络编程Netty

Netty介绍和应用场景

Netty介绍

Netty的应用场景

互联网行业

游戏行业

大数据领域

其它开源项目使用到Netty

书籍

Java BIO 编程

IO模型基本说明

BIO、NIO、AIO适用场景分析

Java BIO

基本介绍

工作机制

工作原理图

BIO编程简单流程

应用实例

需求

代码实现

问题分析

Java NIO编程

基本介绍

NIO 和 BIO 的比较

NIO三大核心原理示意图

缓存区(Buffer)

基本介绍

Buffer类及其子类

ByteBuffer

通道(Channel)

基本介绍

FileChannel

应用实例

本地文件写数据

本地文件读数据

使用一个Buffer完成文件读取

拷贝文件transferFrom 方法

关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

选择器(Selector)

基本介绍

Selector示意图和特点说明

Selector类的相关方法

注意事项

NIO非阻塞网络编程

原理分析

快速入门

需求

代码实现

SelectionKey

ServerSocketChannel

SockerChannel

应用实例-群聊系统

需求

代码实现

NIO与零拷贝

零拷贝基本介绍

传统IO

零拷贝的再次理解

mmap 和 sendFile 的区别

NIO 零拷贝案例

需求

传统IO-文件传输

零拷贝-文件传输

Java AIO基本介绍

BIO、NIO、AIO比较