RPC的通信Netty,Netty的底层是Nio,Java的Io模型你了解多少?

三不猴

RPC的通信Netty,Netty的底层是Nio,Java的Io模型你了解多少?


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。

什么是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、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。

同步非阻塞IO

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,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。

  1. 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。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 问题分析

  1. 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 。
  2. 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。
  3. 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

nio介绍

  1. 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
  2. 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】
  3. NIO 有三大核心部分:Channel(通道),**Buffer(缓冲区), Selector(**选择器)
Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图

Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图

  1. 每个channel都会对应一个Buffer
  2. Selector 对应一个线程, 一个线程对应多个 channel(连接)
  3. 该图反应了有三个channel注册到该selector//程序
  4. 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
  5. Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换
  6. Buffer 就是一个内存块 , 底层是有一个数组
  7. 数据的读取写入是通过Buffer,这个和BIO,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。

缓冲区(Buffer)

缓冲区(Buffer):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。

  • mark: 标记值,使用mark()函数可以标记当前position,在使用reset()后会将position重置为mark值,默认为-1,即没有mark值
  • position: 当前位置
  • limit: 限制值
  • capacity: buffer总容量

缓冲区(Buffer)

channel

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:
  1. 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。
  2. Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
  3. 常 用 的 Channel 类 有 : FileChannel 、 DatagramChannel 、 ServerSocketChannelSocketChannel 。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

Selector 示意图和特点说明

  1. 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)
  2. 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。
  3. 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
  4. 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

  1. 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。

  2. 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。
  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

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

  1. 当客户端连接时,会通过 ServerSocketChannel 得到 SocketChannel
  2. Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数
  3. 将socketChannel注册到Selector上,register(Selectorsel,intops),一个selector上可以注册多个SocketChannel
  4. 注册后返回一个 SelectionKey, 会和该 Selector 关联(集合)
  5. 进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)
  6. 在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel() 7) 可以通过 得到的 channel , 完成业务处理

简单的NiO网络编程代码

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        //创建ServerSocketChannel -> ServerSocket

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //得到一个Selecor对象
        Selector selector = Selector.open();

        //绑定一个端口6666, 在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        //设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPT
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); // 1

        //循环等待客户端连接
        while (true) {

            //这里我们等待1秒,如果没有事件发生, 返回
            if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生
                System.out.println("服务器等待了1秒,无连接");
                continue;
            }

            //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
            //1.如果返回的>0, 表示已经获取到关注的事件
            //2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
            //   通过 selectionKeys 反向获取通道
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());

            //遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                //获取到SelectionKey
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                //根据key 对应的通道发生的事件做相应处理
                if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
                    //该该客户端生成一个 SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
                    //将  SocketChannel 设置为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ, 同时给socketChannel
                    //关联一个Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));

                    System.out.println("客户端连接后 ,注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size());             //2,3,4..
                }
                if(key.isReadable()) {  //发生 OP_READ

                    //通过key 反向获取到对应channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();

                    //获取到该channel关联的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));

                }

                //手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
                keyIterator.remove();

            }

        }
    }
}

客户端

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        //得到一个网络通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //提供服务器端的ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        //连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {

            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("因为连接需要时间,客户端不会阻塞,可以做其它工作..");
            }
        }
        //...如果连接成功,就发送数据
        String str = "hello, 尚硅谷~";
        //Wraps a byte array into a buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        //发送数据,将 buffer 数据写入 channel
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();

    }
}
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