Netty簡介及BIO編程

一、概述

1. 簡介

1）Netty是由JBOSS提供的一個Java開源框架，現為Github上的獨立項目。

2）Netty是一個異步的、基于事件驅動的網絡應用框架，用以快速開發高性能、高可靠性的網絡IO程序。

注：
1.	基于事件驅動的含義是，Netty會根據客戶端的行為或讀寫來產生相應的事件驅動。
2.	同步指發出請求后等到響應，才可以繼續執行其它行為。
	異步指發出請求后不需要等待響應，就可以繼續執行其它行為，比如繼續發請求或者向下執行代碼。

3）Netty主要針對在TCP協議下，面向Clients端的高并發應用，或者Peer-to-Peer場景下的大量數據持續傳輸的應用。

4）Netty本質是一個NIO框架，適用于服務器通訊相關的多種應用場景。

注：
1. 從代碼角度看，Netty的本質是對原生Java的IO的優化和重寫。
2. TCP/IP → 原生JDK(IO/網絡) → NIO(IO/網絡) → Netty框架。各層次之間逐層封裝優化，其中原生JDK(IO/網絡)指Java的IO編程和網絡編程。

2. 應用場景

• 互聯網行業

  分布式系統中，各個節點之間需要遠程服務調用，高性能的RPC(遠程過程調用)框架必不可少。Netty作為異步高性能的通信框架，往往作為基礎通信組件被這些RPC框架使用。

  典型應用：阿里的分布式服務框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo協議進行節點間通信。Dubbo協議默認使用Netty作為基礎通信組件，用于實現各進程節點之間的內部通信。
  

• 游戲行業

  Netty作為高性能的基礎通信組件，提供了TCP/UDP和HTTP協議棧，方便定制和開發私有協議棧，賬號登錄服務器。地圖服務器之間可以方便的通過Netty進行高性能的通信。

• 大數據領域

  經典的Hadoop的高性能通信和序列化組件(AVRO 實現數據文件共享)的RPC框架，默認采用Netty進行跨界點通信。它的Netty Service基于Netty框架二次封裝實現。

• 其它開源項目

  Akka、Apache Flink、Apache Spark等。

二、I/O模型

I/O模型就是用什么樣的通道進行數據的發送和接收，很大程度上決定了程序通信的性能。

Java共支持3種網絡編輯模型/IO模式：BIO、NIO、AIO。

1. 分類

• Java BIO (同步并阻塞，傳統阻塞型)

  服務器實現模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時服務器端就需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷，如果線程沒有讀寫到內容，還會造成線程阻塞。

其中，Read/Write表示連接。

• Java NIO (同步非阻塞)

  服務器實現模式為一個線程處理多個請求(連接)，即客戶端發送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求就進行處理。

其中，Server作為Boss，Thread作為Worker Group，Selector也就是多路復用器。而Netty框架基于NIO模型。

• Java AIO(NIO.2) (異步非阻塞)

  AIO引入異步通道的概念，采用了Proactor模式，簡化了程序編寫，有效的請求才啟動線程。它的特點是先由操作系統完成后才通知服務端程序啟動線程去處理，一般適用于連接數較多且連接時間較長的應用。

  AIO模型是JDK1.7引入的，但尚未得到廣泛應用。

2. 適用情景

1）BIO方式適用于連接數目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，并發局限于應用中。JDK1.4以前的唯一選擇，但程序簡單易理解。

2）NIO方式適用于連接數目多且連接比較短(輕操作)的架構。如聊天服務器，彈幕系統，服務器間通訊等。編程比較復雜，JDK1.4開始支持。

注：Netty框架支持長連接。

3）AIO方式適用于連接數目多且連接比較長(重操作)的架構，如相冊服務器，充分調用OS參與并發操作。編程比較復雜，JDK7開始支持。

三、Java BIO編程

1. 基本介紹

1）Java BIO就是傳統的java io編程，其相關的類和接口在java.io。

2）BIO(blocking I/O)：同步阻塞。服務器實現模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時，服務器端就需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷，可以通過線程池機制改善(實現多個客戶連接服務器)。

3）BIO方式適用于連接數目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，并發局限于應用中。JDK1.4以前的唯一選擇，程序簡單易理解。

2. 工作機制

工作原理圖

見2.1。

BIO編程簡單流程

1）服務器端啟動(或創建)一個ServerSocket。

2）客戶端啟動(或創建)Socket對服務器進行通信。默認情況下服務器端需要對每個客戶建立一個線程與之通訊。

3）客戶端發出請求后，先咨詢服務器是否有線程響應，如果沒有則會等待，或者被拒絕；如果有響應，客戶端線程會等待請求結束后，再繼續執行。

3. 應用實例

步驟

1）使用BIO模型編寫一個服務器端，監聽6666端口，當有客戶端連接時，就啟動一個線程與之通訊。

2）要求使用線程池機制改善，可以連接多個客戶端。

3）服務器端可以接收客戶端發送的數據（客戶端使用dos窗口telnet方式）。

代碼

package com.pfit.bio;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class BIOServer {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		
		//線程池機制
		
		//思路
		//1.創建一個線程池
		//2.如果有客戶端連接，就創建一個線程，與之通訊（單獨寫一個方法）
		ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
		
		//創建ServerSocket
		ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
		System.out.println("服務器啟動了");
		
		while(true) {
			//監聽，等待客戶端連接
			System.out.println("等待連接");
			final Socket socket = serverSocket.accept();
			System.out.println("連接到一個客戶端");
			
			//創建一個線程，與之通訊（單獨寫一個方法）
			newCachedThreadPool.execute(new Runnable(){
				public void run() {//重寫
					//可以和客戶端通訊
					handler(socket);
				}
			});
		}	
	}
	
	//編寫一個handler方法，和客戶端通訊
	public static void handler(Socket socket) {
		try {
			System.out.println("線程信息  id = " + Thread.currentThread().getId() + "      名字 = " + Thread.currentThread().getName());
			byte[] bytes = new byte[1024];
			//通過socket，獲取輸入流
			InputStream inputStream = socket.getInputStream();
			
			//循環地讀取客戶端發送的數據
			while(true) {
				System.out.println("線程信息  id = " + Thread.currentThread().getId() + "      名字 = " + Thread.currentThread().getName());
				System.out.println("read……");
				int read = inputStream.read(bytes);
				if(read != -1) {
					//輸出客戶端發送的數據
					System.out.println(new String(bytes,0,read));
				}else {
					break;
				}
			}
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}finally {
			System.out.println("關閉和Client的連接");
			try {
				socket.close();
			} catch (Exception e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}	
	}	
}

測試
1.客戶端1發送消息，查看日志

2.客戶端2發送消息，查看日志

注：
1. dos窗口進入talent客戶端命令:telnet 127.0.0.1 端口號。
2. telnet客戶端發送指令:先ctrl+]，再使用send 指令的方式。

4. 問題分析

1）每個請求都需要創建獨立的線程，與對應的客戶端進行數據Read，業務處理，數據Write。

2）當并發數較大時，需要創建大量線程來處理連接，系統資源占用較大。

3）連接建立后，如果當前線程暫時沒有數據可讀，則線程就阻塞在Read操作上，造成線程資源浪費。

特別鳴謝：@韓順平

參考資料：

1. 尚硅谷Netty****(2019)

2. 《Netty實戰》

注：以上說明均為個人經驗，如有錯誤歡迎指出，筆者虛心改正。如果有更好的方法或者別的問題，也歡迎大家掃文末的微信平臺二維碼，共同交流，共同進步。