nio和netty详解
一、概述
Netty是一个Java的开源框架。提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。
Netty是一个NIO客户端，服务端框架。允许快速简单的开发网络应用程序。例如：服务端和客户端之间的协议，它简化了网络编程规范。
二、NIO开发的问题
1、NIO类库和API复杂，使用麻烦。
2、需要具备Java多线程编程能力（涉及到Reactor模式）。
3、客户端断线重连、网络不稳定、半包读写、失败缓存、网络阻塞和异常码流等问题处理难度非常大
4、存在部分BUG
NIO进行服务器开发的步骤：
1、创建ServerSocketChannel，配置为非阻塞模式；
2、绑定监听，配置TCP参数；
3、创建一个独立的IO线程，用于轮询多路复用器Selector；
4、创建Selector，将之前创建的ServerSocketChannel注册到Selector上，监听Accept事件；
5、启动IO线程，在循环中执行Select.select()方法，轮询就绪的Channel；
6、当轮询到处于就绪状态的Channel时，需要对其进行判断，如果是OP_ACCEPT状态，说明有新的客户端接入，则调用ServerSocketChannel.accept()方法接受新的客户端；
7、设置新接入的客户端链路SocketChannel为非阻塞模式，配置TCP参数；
8、将SocketChannel注册到Selector上，监听READ事件；
9、如果轮询的Channel为OP_READ，则说明SocketChannel中有新的准备就绪的数据包需要读取，则构造ByteBuffer对象，读取数据包；
10、如果轮询的Channel为OP_WRITE，则说明还有数据没有发送完成，需要继续发送。
三、Netty的优点
1、API使用简单，开发门槛低；
2、功能强大，预置了多种编解码功能，支持多种主流协议；
3、定制功能强，可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活的扩展；
4、性能高，通过与其他业界主流的NIO框架对比，Netty综合性能最优；
5、成熟、稳定，Netty修复了已经发现的NIO所有BUG；
6、社区活跃；
7、经历了很多商用项目的考验。
粘包/拆包问题
TCP是一个“流”协议，所谓流，就是没有界限的一串数据。可以想象为河流中的水，并没有分界线。TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分，所以在业务上认为，一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送，也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送，这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。
TCP粘包拆包问题示例图：
假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到的字节数是不确定的，可能存在以下4中情况。
1、服务端分两次读取到了两个独立的数据包，分别是D1和D2，没有粘包和拆包；
2、服务端一次接收到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，被称为TCP粘包；
3、服务端分两次读取到了两个数据包，第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容，第二次读取到了D2包的剩余部分内容，这被称为TCP拆包；
4、服务端分两次读取到了两个数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余内容D1_1和D2包的完整内容；
如果此时服务器TCP接收滑窗非常小，而数据包D1和D2比较大，很有可能发生第五种情况，既服务端分多次才能将D1和D2包接收完全，期间发生多次拆包；
问题的解决策略
由于底层的TCP无法理解上层的业务数据，所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的，这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决，根据业界的主流协议的解决方案可归纳如下：
1、消息定长，例如每个报文的大小为固定长度200字节，如果不够，空位补空格；
2、在包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议；
3、将消息分为消息头和消息体，消息头中包含消息总长度（或消息体总长度）的字段，通常设计思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总程度；
4、更复杂的应用层协议；
LineBasedFrameDecoder
为了解决TCP粘包/拆包导致的半包读写问题，Netty默认提供了多种编解码器用于处理半包。
LinkeBasedFrameDecoder的工作原理是它一次遍历ByteBuf中的可读字节，判断看是否有“\n”、“\r\n”，如果有，就一次位置为结束位置，从可读索引到结束位置区间的字节就组成一行。它是以换行符为结束标志的编解码，支持携带结束符或者不携带结束符两种解码方式，同事支持配置单行的最大长度。如果连续读取到最大长度后任然没有发现换行符，就会抛出异常，同时忽略掉之前读到的异常码流。
DelimiterBasedFrameDecoder
实现自定义分隔符作为消息的结束标志，完成解码。
FixedLengthFrameDecoder
是固定长度解码器，能够按照指定的长度对消息进行自动解码，开发者不需要考虑TCP的粘包/拆包问题。
Netty高性能之道
1、异步非阻塞通信
在IO编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者IO多路复用技术进行处理。IO多路复用技术通过把多个IO的阻塞复用到同一个Selector的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型相比，IO多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。
Netty的IO线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端SocketChannel。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，避免由频繁的IO阻塞导致的线程挂起。另外，由于Netty采用了异步通信模式，一个IO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IO中 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。
2、高效的Reactor线程模型
常用的Reactor线程模型有三种，分别如下：
Reactor单线程模型；
Reactor多线程模型；
3、主从Reactor多线程模型；
Reactor单线程模型，指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程职责如下：
1、作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；
2、作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；
3、读取通信对端的请求或者应答消息；
4、向通信对端发送请求消息或者应答消息；
由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor接收客户端的TCP连接请求消息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息编码。用户Handler可以通过NIO线程将消息发送给客户端。
对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型，但是对于高负载、大并发的应用却不合适，主要原因如下：
1、一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑。几遍NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送；
2、当NIO线程负载过重后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，NIO线程会成为系统的性能瓶颈；
3、可靠性问题。一旦NIO线程意外进入死循环，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。
为了解决这些问题，从而演进出了Reactor多线程模型。
Reactor多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作，特点如下：
1、有一个专门的NIO线程——Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端TCP连接请求；
2、网络IO操作——读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、编码、解码和发送；
3、1个NIO线程可以同时处理N条链路，但是1个链路只对应1个NIO线程，防止发生并发操作问题。
在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极特殊应用场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证，认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型——主从Reactor多线程模型。
主从Reactor线程模型的特定是：服务端用于接收客户端连接的不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO线程池（subReactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池只用于客户端的登录、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。
利用主从NIO线程模型，可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。Netty官方推荐使用该线程模型。它的工作流程总结如下：
1、从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；
2、Acceptor线程接收客户端连接请求之后，创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其他Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；
3、然后也业务层的链路正式建立成功，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理IO的读写操作。
3、无锁化的串行设计
在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能地避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，既消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。
为了尽可能提升性能，Netty采用了串行无锁化设计，在IO线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列——多个工作线程模型性能更优。
Netty串行化设计工作原理图如下：
Netty的NioEventLoop读取到消息后，直接调用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg)，只要用户不主动切换线程，一直会由NioEventLoop调用到用户的Handler，期间不进行线程切换。这种串行化处理方式避免了多线程导致的锁竞争，从性能角度看是最优的。
4、高效的并发编程
Netty中高效并发编程主要体现：
1、volatile的大量、正确使用；
2、CAS和原子类的广泛使用；
3、线程安全容器的使用；
4、通过读写锁提升并发性能。
5、高性能的序列化框架
影响序列化性能的关键因素总结如下：
1、序列化后的码流大小（网络宽带的占用）；
2、序列化与反序列化的性能（CPU资源占用）；
3、是否支持跨语言（异构系统的对接和开发语言切换）。
Netty默认提供了对GoogleProtobuf的支持，通过扩展Netty的编解码接口，用户可以实现其他的高性能序列化框架
6、零拷贝
Netty的“零拷贝”主要体现在三个方面：
1）、Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行Socket读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。
2）、第二种“零拷贝 ”的实现CompositeByteBuf，它对外将多个ByteBuf封装成一个ByteBuf，对外提供统一封装后的ByteBuf接口。
3）、第三种“零拷贝”就是文件传输，Netty文件传输类DefaultFileRegion通过transferTo方法将文件发送到目标Channel中。很多操作系统直接将文件缓冲区的内容发送到目标Channel中，而不需要通过循环拷贝的方式，这是一种更加高效的传输方式，提升了传输性能，降低了CPU和内存占用，实现了文件传输的“零拷贝”。
7、内存池
随着JVM虚拟机和JIT即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区Buffer，情况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty提供了基于内存池的缓冲区重用机制。
8、灵活的TCP参数配置能力
Netty在启动辅助类中可以灵活的配置TCP参数，满足不同的用户场景。合理设置TCP参数在某些场景下对于性能的提升可以起到的显著的效果，总结一下对性能影响比较大的几个配置项：
1）、SO_RCVBUF和SO_SNDBUF：通常建议值为128KB或者256KB;
2）、SO_TCPNODELAY：NAGLE算法通过将缓冲区内的小封包自动相连，组成较大的封包，阻止大量小封包的发送阻塞网络，从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法；
3）、软中断：如果Linux内核版本支持RPS(2.6.35以上版本)，开启RPS后可以实现软中断，提升网络吞吐量。RPS根据数据包的源地址，目的地址以及目的和源端口，计算出一个hash值，然后根据这个hash值来选择软中断运行的CPU。从上层来看，也就是说将每个连接和CPU绑定，并通过这个hash值，来均衡软中断在多个CPU上，提升网络并行处理性能。
Nio中的重要概念
FileChannel：
从文件中读写数据，无法设置为非阻塞
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(2048);
byte[] bb = new byte[2048];
try {
FileInputStream fis = new FileInputStream("D:\\vipkid\\bak\\pangolin-service\\src\\main\\resources\\data\\file.txt");
FileChannel fc = fis.getChannel();
long timeStar = System.currentTimeMillis();
fc.read(buffer);
buffer.flip();
byte[] chars=buffer.array();
String txt=new String(chars);
System.out.println(txt);
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("read time:" + (endTime - timeStar) + "ms");
/// 或者下面这种方法
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("D:\\vipkid\\bak\\pangolin-service\\src\\main\\resources\\data\\file.txt", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(2048);
channel.read(buffer);
String msg=new String(buffer.array());
System.out.println(msg);
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
DatagramChannel：
通过udp读写网络中的数据
SocketChannel：
通过tcp读取网络中的数据，可以设置为非阻塞
打开方式
SocketChannel socket=SocketChannel.open();
socket.connect(new InetSocketAddress("localhost",8080));
从SocketChannel上读取数据：
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(2048);
buffer.clear();
int count=socket.read(buffer);//count标识读了多少字节
写数据：
String txt="vipkid has many bugs";
buffer.clear();
while(buffer.hasRemaining()){
socket.write(buffer);
}
非阻塞模式+connect
socket.configureBlocking(false);
socket.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",8080));
if(socket.isConnectable()){
if(socket.isConnectionPending()){
if(socket.finishConnect()){
//do stm
}
}
}
ServerSocketChannel：
监听网络中的一个连接请求，为请求生成一个SocketChannel;
打开：ServerSocketChannel serverChannel=ServerSocketChannel.open();
serverChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverChannel.configureBlocking(false);//非阻塞模式
while(true){
serverChannel.accept();//阻塞直到一个连接请求到来
}
缓冲区类型：
ByteBuffer
CharBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer
常用方法：
get() 从缓冲区中获取数据
put() 往缓冲区中添加数据
read() 从channel中读取数据到buffer
write() 往channel中写入数据
capacity - 缓冲区大小，无论是读模式还是写模式，此属性值不会变；
position - 写数据时，position表示当前写的位置，每写一个数据，会向下移动一个数据单元，初始为0；最大为capacity - 1
切换到读模式时，position会被置为0，表示当前读的位置
limit - 写模式下，limit 相当于capacity 表示最多可以写多少数据，切换到读模式时，limit 等于原先的position，表示最多可以读多少数据。
MappedByteBuffer
内存映射文件和之前说的 标准IO操作最大的不同之处就在于它虽然最终也是要从磁盘读取数据，
但是它并不需要将数据读取到OS内核缓冲区，而是直接将进程的用户私有地址空间中的一部分区
域与文件对象建立起映射关系，就好像直接从内存中读、写文件一样，速度当然快了(省去了把数据拷贝到OS内核缓冲区)
MappedByteBuffer 将文件直接映射到内存（这里的内存指的是虚拟内存，并不是物理内存）
代码示例：
public class MappedByteBufferDemo {
public static void main(String[] args) {
try {
RandomAccessFile file=new RandomAccessFile("/Users/penny/code/vip/from.txt","rw");
FileChannel channel=file.getChannel();
MappedByteBuffer buffer=channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0,file.length());
byte[] bytes=new byte[(int)file.length()];
buffer.get(bytes);
System.out.println(new String(bytes));
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
下面为基于NIO实现的客户端代码：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Client implements Runnable{
private BlockingQueue<String> words;
private Random random;
public static void main(String[] args) {
//种多个线程发起Socket客户端连接请求
for(int i=0; i<1; i++){
Client c = new Client();
c.init();
new Thread(c).start();
}
}
@Override
public void run() {
SocketChannel channel = null;
Selector selector = null;
try {
channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false);
//请求连接
channel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8383));
selector = Selector.open();
channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
boolean isOver = false;
while(! isOver){
selector.select();
Iterator ite = selector.selectedKeys().iterator();
while(ite.hasNext()){
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
ite.remove();
if(key.isConnectable()){
//连接操作是否在该通道上执行
if(channel.isConnectionPending()){
if(channel.finishConnect()){
//只有当连接成功后才能注册OP_READ事件
key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
channel.write(CharsetHelper.encode(CharBuffer.wrap(getWord())));
sleep();
}
else{
key.cancel();
}
}
}
else if(key.isReadable()){
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);
channel.read(byteBuffer);
byteBuffer.flip();
CharBuffer charBuffer = CharsetHelper.decode(byteBuffer);
String answer = charBuffer.toString();
System.out.println(Thread.currentThread().getId() + "---" + answer);
String word = getWord();
if(word != null){
channel.write(CharsetHelper.encode(CharBuffer.wrap(word)));
}
else{
isOver = true;
}
sleep();
}
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
finally{
if(channel != null){
try {
channel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if(selector != null){
try {
selector.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
private void init() {
words = new ArrayBlockingQueue<String>(5);
try {
words.put("hi");
words.put("who");
words.put("what");
words.put("where");
words.put("bye");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
random = new Random();
}
private String getWord(){
return words.poll();
}
private void sleep() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(random.nextInt(3));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void sleep(long l) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(l);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
服务端代码：
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.CharBuffer;
import java.nio.channels.ClosedChannelException;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
public class XiaoNa {
private ByteBuffer readBuffer;
private Selector selector;
public static void main(String[] args){
XiaoNa xiaona = new XiaoNa();
xiaona.init();
xiaona.listen();
}
private void init(){
readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
ServerSocketChannel servSocketChannel;
try {
servSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
servSocketChannel.configureBlocking(false);
//绑定端口
servSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8383));
selector = Selector.open();
servSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void listen() {
while(true){
try{
selector.select();
Iterator ite = selector.selectedKeys().iterator();
while(ite.hasNext()){
SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
ite.remove();//确保不重复处理
handleKey(key);
}
}
catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
}
}
}
private void handleKey(SelectionKey key)
throws IOException, ClosedChannelException {
SocketChannel channel = null;
try{
if(key.isAcceptable()){
ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();
channel = serverChannel.accept();//接受连接请求
channel.configureBlocking(false);
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
}
else if(key.isReadable()){
channel = (SocketChannel) key.channel();
readBuffer.clear();
/*当客户端channel关闭后，会不断收到read事件，但没有消息，即read方法返回-1
* 所以这时服务器端也需要关闭channel，避免无限无效的处理*/
int count = channel.read(readBuffer);
if(count > 0){
//一定需要调用flip函数，否则读取错误数据
readBuffer.flip();
/*使用CharBuffer配合取出正确的数据
String question = new String(readBuffer.array());
可能会出错，因为前面readBuffer.clear();并未真正清理数据
只是重置缓冲区的position, limit, mark，
而readBuffer.array()会返回整个缓冲区的内容。
decode方法只取readBuffer的position到limit数据。
例如，上一次读取到缓冲区的是"where", clear后position为0，limit为 1024，
再次读取“bye"到缓冲区后，position为3，limit不变，
flip后position为0，limit为3，前三个字符被覆盖了，但"re"还存在缓冲区中，
所以 new String(readBuffer.array()) 返回 "byere",
而decode(readBuffer)返回"bye"。
*/
CharBuffer charBuffer = CharsetHelper.decode(readBuffer);
String question = charBuffer.toString();
System.out.println("question:"+question);
String answer = getAnswer(question);
channel.write(CharsetHelper.encode(CharBuffer.wrap(answer)));
}
else{
//这里关闭channel，因为客户端已经关闭channel或者异常了
channel.close();
}
}
}
catch(Throwable t){
t.printStackTrace();
if(channel != null){
channel.close();
}
}
}
private String getAnswer(String question){
String answer = null;
switch(question){
case "who":
answer = "我是小娜\n";
break;
case "what":
answer = "我是来帮你解闷的\n";
break;
case "where":
answer = "我来自外太空\n";
break;
case "hi":
answer = "hello\n";
break;
case "bye":
answer = "88\n";
break;
default:
answer = "请输入 who， 或者what， 或者where";
}
return answer;
}
}
