网络编程之SocketIO基础

Posted 2021-04-25 蚂蚁与咖啡的故事

继上一篇文章的讲解，已经知道了网络编程的基本方式，今天将继续进行网络编程相关概念的深入讲解。

1.基本概念

1.1 IO(BIO)

Blocking IO，同步阻塞式IO（传统的网络编程模型），完全依靠网络，具有以下特点：

• 采用线程池和任务队列可以实现伪异步的IO通信框架

• 传统IO缺点：占用资源多，耗时长

1.2 NIO

Non-Blocking IO 同步非阻塞，多了一个管道的概念，以空间换时间的概念。

• 1.0版本：只实现非阻塞，未实现异步

• 2.0版本：JDK1.7之后异步非阻塞（AIO）

• NIO与BIO一个最大的区别就是，NIO中的selector采用了epoll代替了传统的select实现，性能大大提升

1.2 AIO

NIO2.0,异步+非阻塞 （JDK1.7以后实现）

1.3 Socket

套接字，应用程序间的TCP通信通常通过Socket向网络发出请求或者应答网络请求

• Socket和ServerSocket为java.net包中，ServerSocket用于服务端，-

• Socket是在建立网络连接时候用的。在连接成功时，应用程序的两端（客户端和服务端）都会产生一个Socket实例，操作这个实例来完成所需的会话。

• 对于一个网络连接来说，Socket和ServerSocket是平等的，不管是在服务端还是在客户端，他们的工作都是通过SocketImpl类及其子类完成的。

2.阻塞和非阻塞

程序在等待调用结果（消息，返回值等）时的状态（具体的技术，接收数据的方式、状态），针对网络传输而言。

• 阻塞：调用结果返回前，当前的线程会被挂起，直到得到结果之后才会返回。（也就是说，应用程序在获取网络数据的时候，如果网络传输数据的时候很慢，那么程序就一直等着，知道传输完毕为止）

• 非阻塞：在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。（应用程序可以直接获取已经准备就绪好的数据，无需等待）

可参见上一篇文章的详细讲解。

3.同步和异步

关注的是消息通信机制（synchronous communication/asynchronous communication），一般是面向操作系统与应用程序对IO操作的层面上来区分（server端应用程序的执行方式），针对程序层面而言。

• 同步：应用程序发出了一个“调用”时，在没有得到结果之前，该“调用”就不会返回。直到调用返回。（应用程序会直接参与IO读写操作，并且我们的应用程序会直接阻塞到某个方法上，直到数据准备好了，或者采用轮询的策略检查数据的就绪状态，如果就绪则获取数据）

• 异步：一个异步过程调用发出之后，调用者不会立即得到结果，而是“被调用者”通过状态、通知等来通知调用者，或者通过回调函数来通知应用程序。（所有的IO读写操作交给操作系统处理，与我们的应用程序没有直接关联，我们的程序不关心IO读写，当操作系统完成了IO读写操作时，会给我们的应用程序发送通知，我们的应用程序直接拿走数据即可）

典型的异步编程模型Node.js

4.Socket的连接过程

Socket的连接过程分为四个步骤：服务器监听、客户端请求服务器、服务器确认、进行通信。

• 服务器监听：服务器端的套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处理等待连接的状态（阻塞），实时监控网络状态

• 服务端连接确认：服务端套接字监听到客户端的连接请求，就会响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的情况发送给客户端

• 客户端连接确认：一旦客户端确认了服务端的描述，连接就建立好了。双方就可以开始通信了。并且服务器端的套接字进行处于监听状态，继续监听其他的客户端套接字的请求

5.NIO详解

一般称作Non-Blocking IO，同步非阻塞，在传统的TCP直接建立连接的基础，做了一层抽象，把客户端（SocketChannel）和服务端（ServerSocketChannel ）注册到多路复用器上，然后Selector回去轮询所有注册到服务器上的SocketChannel的通道，根据通道的状态（connect/连接、Accept/阻塞、Read/可读、Write/可写）执行相关操作。（概念好理解，编程不好实现）。
这边涉及几个核心概念：Buffer（缓冲区，填充数据的结构）、Channel（管道）、Selector（选择器，多路复用器），如下图所示：

5.1 Buffer

Buffer是一个包含一些要写入或者读取的数据的对象，在NIO类库中加入Buffer对象，体检了新库与原IO的一个重要的区别：

• 在面向流的IO中，可以直接将数据写入或者读取到Stream对象中

• 在NIO库中，所有的数据都用缓冲区处理读写操作

• 缓冲区本质上是一个数组，通常是一个字节数组（ByteBuffer），为缓冲区提供了数据访问的读写操作，如位置、容量、上限等概念

5.2 Channel

网络数据通过Channel进行读写操作，通道与流不同之处在于，通道是双向的（可以用于读写或者二者同时进行，最关键的可以与Selector结合起来），而流是单方向的（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类）。通道分为两大类

• 网络读写（SelectableChannel），子类：

• SocketChannel（客户端）

• ServerSocketChannel（服务端）

• 文件操作（FileChannel）

5.3 Selector

NIO编程的基础，核心。提供了已经选择就绪的任务的能力，Selector会不断的轮询注册到其上的Channel，如果某个通道发生了读写操作，这个通道就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以取得就绪的Channel的集合（可能有多个channel），从而进行后续的IO操作

• 一个Selector理论上可以负责无数个Channel通道，因为JDK使用了epoll代替了传统的select实现，获得的连接句柄没有限制。

• Selector线程就类似一个管理者，只不过是轮询哪个管道的数据已经准备好，然后通知CPU去读写数据

• 当Channel注册到Selector后，Selector会分配给Channel一个Key值，Selector是以轮询的方式进行查找注册的Channel，当Channel准备好了，Selector就会识别，通过KEY值找到相应的Channel进行相关的数据处理操作。

• Selector只负责轮询注册到其上的Channel的状态位，不负责具体操作，轮询出来的SocketChannel一定是准备就绪好的数据（缓冲好的数据，非阻塞状态），而在BIO中是一个字节一个字节的传输（阻塞状态）

NIO编程需要注意的问题：TCP拆包粘包的问题（解码的时候才会出现这个问题）

6.AIO（NIO2.0）

异步非阻塞，在NIO的基础上，引入了异步通道的概念，并提供了异步文件和异步套接字通道的实现，从而在真正意义上实现了异步非阻塞。AIO不需要通过Selector注册Channel进行轮询操作即可实现异步读写，从而简化了NIO编程模型。（概念不好理解，编程好实现）

• AsynchronousSocketChannel

• AsynchronousServerSocketChannel

7.IO多路复用的系统调用使用epoll代替了select，主要有以下几方面原因（整理自《netty权威指南》）：

• 支持一个进程打开的socket描述符（FD）不受限制（仅受限于操作系统的最大文件句柄数）

• I/O效率不会随着FD数目的增加而线性下降

• 使用mmap加速内核与用户空间的消息传递

• epoll的API更简单