Java NIO 网络编程《Netty In Action》 #yyds干货盘点#

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java NIO 网络编程《Netty In Action》 #yyds干货盘点#相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

@[TOC](第1章 Java NIO 网络编程)


前言

参考资料

  • 《Netty In Action》;
  • B站 《尚硅谷 Netty 视频教程》;

本系列为 Netty 学习笔记,本篇介绍总结Java NIO 网络编程。Netty 作为一个异步的、事件驱动的网络应用程序框架,也是基于NIO的客户、服务器端的编程框架。其对 Java NIO 底层 API 进行了封装,因此有必要对 Java 网络编程做个大概了解。本篇将重点放在 NIO 网络编程模型上,对 BIO 及 AIO 仅做简要说明;


1. Java 网络编程

  • 最早期的 Java API(java.net)只支持由本地系统套接字库提供的阻塞函数,其弊端有:
    • 一个线程只能处理一条连接;
    • 在任何时候都可能有大量线程处于休眠状态,可能造成资源浪费;
    • 需要为每个线程的调用栈分配内存;
    • 上下文切换带来的开销会很麻烦;
  • 2002年,JDK 1.4 在 java.nio 包中引入非阻塞 IO(NIO)。使用事件通知 API 以确定在一组非阻塞套接字中有哪些已经就绪能够进行 IO 相关的操作;
  • 非阻塞 IO 的优势有:
    • 使用较少线程便可处理许多连接,减少了内存管理和上下文切换带来的开销;
    • 没有 IO 操作需要处理时,线程可以被用于其他任务;
  • Java 支持3中网络编程模式 :BIO(同步阻塞型)、NIO(同步非阻塞型)、AIO(异步非阻塞型);
    • BIO:适用于连接数目较小且固定的架构;
    • NIO:适用于链接数量多且连接比较短的架构;
    • AIO:适用于连接数目多且连接比较长的架构;
  • BIO 以流的方式处理书局,NIO 以块的方式处理书局,块 IO 的效率比流 IO 高很多;

1.1 Javs NIO 基本介绍

  • NIO 的三大核心部分部分:Channel(通道)Buffer(缓冲区)Selector(选择器)
    • 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
    • 多个 Channel 可以注册到一个 Selector
    • 程序切换到哪个 Channel 由事件 Event 决定;
    • 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,底层是一个数组;
    • 数据的读取和写入通过 Buffer,与 BIO 不同。BIO 要么是输入流,要么是输出流,不能双向,而 NIO 的 Buffer 是双向的;
    • Channel 也是双向的,可以反映底层操作系统的情况;底层的操作系统通道就是双向的;

  • NIO 是面向缓冲区,或者面向块编程的;
  • NIO 可以做到用一个线程来处理多个操作;
  • HTTP 2.0 使用了多路复用技术,做到同一个连接并发处理多个请求;

1.2 缓冲区 Buffer

  • 缓冲区本质是一个可以读写的内存块,可以理解成一个容器对象,该对象提供一组方法,可以更轻松地使用内存块;
  • 缓冲期内置了一些机制,能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况;
  • Channel 提供从文件、网络读取数据的通道,但读取或写入的数据必须经由 Buffer
  • Buffer 有四个通用属性:
    • capacity:容量,即可以容纳的最大数据量;在缓存区创建时被设定并且不能改变;
    • limit:表示缓冲区当前的终点,不能对缓冲区中超过Limit的部分进行读写(相当于哨兵)。而且Limit是可以修改的;
    • position:当前的读/写位置,下一个要被读或写的元素的索引,每次读写缓冲区数据时都会改变改值,为下次读写作准备;
    • mark:标记;
  • Buffer 类的通用方法:

    public abstract class Buffer 
      //JDK1.4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 newPositio)//设置此缓冲区的位置
      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 mark()//在此缓冲区的位置设置标记
      public final Buffer reset()//将此缓冲区的位置重置为以前标记的位置
      public final Buffer clear()//清除此缓冲区, 即将各个标记恢复到初始状态,但是数据并没有真正擦除, 后面操作会覆盖
      public final Buffer flip()//反转此缓冲区
      public final Buffer rewind()//重绕此缓冲区
      public final int remaining()//返回当前位置与限制之间的元素数
      public final boolean hasRemaining()//告知在当前位置和限制之间是否有元素
      public abstract boolean isReadOnly();//告知此缓冲区是否为只读缓冲区
    
      //JDK1.6时引入的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
      public abstract int arrayOffset();//返回此缓冲区的底层实现数组中第一个缓冲区元素的偏移量
      public abstract boolean isDirect();//告知此缓冲区是否为直接缓冲区
    
  • Buffer 类及其子类:

    1.2 通道 Channel

  • 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 、 ServerSocketChannelSocketChannel
  • NIO 还支持 通过多个 Buffer(即 Buffer 数组) 完成读写操作,即 ScatteringGathering

    1.3 选择器 Selector

  • 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;
  • 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(IO多路复用技术);
  • 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;

1.4 NIO 非阻塞网络编程原理分析

  • 当客户端连接时,会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
  • socketChannel 注册到 Selector 上(register 方法);
  • 注册后返回一个 SelectionKey,会和该 Selector 关联(集合);
  • Selector 进行监听(select 方法),对于有事件发生的通道,将对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回;
  • 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;

2. 线程模型概述

  • 目前存在的线程模型有:
    • 传统阻塞 IO 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 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;

2.1 传统阻塞 IO 服务模型

  • 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;
  • 问题
    • 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;

  • 黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API);

2.2 Reactor 模式

  • Reactor 模式又称:反应器模式、分发者模式(Dispatcher)、通知者模式(Notifier);
  • 特点
    • 基于 IO 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;
    • 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;
  • 说明
    • 通过一个或多个输入同时传递给服务处理器 ServiceHandler 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;
  • 核心组成
    • Reactor:即:服务处理器 ServiceHandler: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:即:事件处理器 EventHandler: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实际官员。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;
  • 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;

  • 黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API);

2.3 单 Reactor 单线程模式

  • 方案说明
    • Select 是前面 IO 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;
    • 如果建立连接请求,则 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 会完成:read → 业务处理 → send 的完整业务流程;
  • 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;
    • 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;
  • 应用场景
    • 客户端的数量有限,业务处理非常快速。如:Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况;

  • 黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API);

2.4 单 Reactor 多线程模式

  • 方案说明
    • 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 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 通过 dispatch 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(图中未标出);
  • 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、高并发场景容易出现性能瓶颈;
    • 黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API);

2.5 主从 Reactor 多线程模式

  • 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;
    • Acceptor 处理连接事件后,MainReactor 将连接分配给 SubReactor(多个);
    • 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;
    • Handlerread 读取数据,然后分发给后面的 Worker 线程池处理;
    • Worker 线程池分配独立的 Worker 线程进行业务处理,并返回结果;
    • Handler 收到响应的结果后,再通过 send 将结果返回给 Client
    • Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程,即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor
  • 优点
    • 父线程与子线程的数据交互简单职责明确,父线程只需要接收新连接,子线程完成后续的业务处理;
    • 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;
  • 应用场景
    • 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;

  • 黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API);

2.6 Netty 模型

  • Netty 主要基于主从 Reactors 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
  • 方案说明
    • 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;
    • BossGroupWorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroupNioEventLoopGroup 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;
    • 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
    • 处理任务队列的其他任务 , 即 runAllTasks
    • 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤有 3 步:
    • 轮询 readwrite 事件;
    • 在对应 NioScocketChannel上进行 处理 IO 事件, 即 readwrite 事件;
    • 处理任务队列的其他任务 , 即 runAllTasks
    • 每个 WorkerNIOEventLoop 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;


最后

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