前言
學習Netty程式設計,避免不了從瞭解Java 的NIO程式設計開始,這樣才能通過比較讓我們對Netty有更深的瞭解,才能知道Netty大大的好處。傳統的NIO程式設計code起來比較麻煩,甚至有遺留Bug,但其中最基本的思想是一致的。
參考資料《Netty In Action》、《Netty權威指南》(有需要的小夥伴可以評論或者私信我)
博文中所有的程式碼都已上傳到Github,歡迎Star、Fork
一、NIO 核心元件
NIO,有人稱之為New I/O,這是官方叫法。但是由於之前老的I/O類庫是阻塞I/O,所以此時的NIO也可以是非阻塞I/O(Non-block I/O)。
與Socket類和ServerSocket類相對應,NIO提供了SocketChannel和ServerSocketChannel不同的套接字通道實現,可以支援阻塞和非阻塞兩種模式。
NIO庫是JDK 1.4中引入的,彌補了原來同步阻塞I/O的不足。這是因為提供了高速處理、面向塊的I/O,主要包括:緩衝區Buffer、通道Channel、多路複用器Selector。
1.緩衝區Buffer
在NIO庫中,所有的資料都是緩衝區處理的,讀取資料時直接讀取緩衝區;在寫入資料時,寫入到緩衝區。在任何時候訪問NIO中的資料,都是通過緩衝區進行操作。實際上緩衝區是一個陣列,有不同型別的陣列,通常是位元組陣列(ByteBuffer),但它不僅僅是一個陣列,緩衝區提供對資料的結構化訪問以及維護讀寫位置(limit)等資訊。
2.通道Channel
網路資料通過Channel雙向讀取和寫入(全雙工),這點不同於Stream(InputStream/OutputStream或者其子類)一個方向上移動。
Channel可以分類兩個大類:用於網路讀寫的SelectableChannel和用於檔案操作的FileChannel。
ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子類。
3.多路複用器Selector
多路複用器提供選擇已經就緒的任務的能力,具體來說:Selector會不斷地輪詢註冊在其上的Channel,如果某個Channel上面發生讀寫事件,就表明這個Channel處於就緒狀態,會被Selector輪詢出來,通過SelectionKey可以獲取就緒的Channel的集合,進行後續的I/O操作。這樣就意味著只需要一個執行緒負責Selector輪詢,就可以接入成千上萬的客戶端。
多路複用器Selector是最核心的元件,在Netty程式設計中也是尤為重要的,但是這裡不具體展開,到時候分析Netty原始碼的時候會具體介紹。
二、NIO服務端
1.服務端序列圖
先放出如下的NIO服務端序列圖,結合序列圖給具體的步驟如下,之後的示例程式碼中也會有詳細註釋
第一步:開啟ServerSocketChannel,用於監聽客戶端的連線,是所有客戶端連線的父管道。
第二步:繫結監聽埠,設定連線為非阻塞模式
第三步:建立Reactor執行緒,建立多路複用器並啟動執行緒
第四步:將ServerSocketChannel註冊到Reactor執行緒的多路複用器Selector上,監聽ACCPET事件。
第五步:多路複用器線上程run方法在無線迴圈體內輪詢準備就緒的Key。
第六步:多路複用器監聽到有新的客戶端接入,處理新的接入請求,完成TCP三次握手,建立物理鏈路。
第七步:設定客戶端鏈路為非阻塞模式
第八步:將新接入的客戶端註冊到Reactor執行緒的多路複用器上,監聽讀操作,讀取客戶端傳送的網路訊息。
第九步:非同步讀取客戶端請求訊息到緩衝區
第十步:對ByteBuffer進行編解碼,如果有半包訊息指標reset,繼續讀取後續的報文,將解碼成功的訊息封裝成Task,交給業務執行緒池中,進行業務處理
第十一步:將物件encode成ByteBuffer,呼叫SocketChannel的非同步write介面,將訊息非同步傳送給客戶端。
2.服務端程式碼示例
(1)多路複用服務MultiplexerTimeServer
public class MultiplexerTimeServer implements Runnable { private Selector selector; private ServerSocketChannel servChannel; private volatile boolean stop; /** * 初始化多路複用器、繫結監聽埠 * * @param port */ public MultiplexerTimeServer(int port) { try { // 1. 開啟ServerSocketChannel,監聽客戶端連線 servChannel = ServerSocketChannel.open(); // 2. 繫結監聽埠,設定連線為非阻塞模式 servChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port), 1024); servChannel.configureBlocking(false); // 3. 建立Reactor執行緒,建立多路複用並啟動執行緒 selector = Selector.open(); // 4. 將ServerSocketChannel註冊到Reactor執行緒的多路了複用器Selector,監聽ACCEPT事件 servChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("The time server is start in port : " + port); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); System.exit(1); } } public void stop() { this.stop = true; } @Override public void run() { while (!stop) { try { selector.select(1000); Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator(); SelectionKey key = null; // 迴圈輪詢準備就緒的Key while (it.hasNext()) { key = it.next(); it.remove(); try { // deal with I/O event handleInput(key); } catch (Exception e) { if (key != null) { key.cancel(); if (key.channel() != null) { key.channel().close(); } } } } } catch (Throwable t) { t.printStackTrace(); } } // 多路複用器關閉後,所有註冊在上面的Channel和Pipe等資源都會被自動去註冊並關閉,所以不需要重複釋放資源 if (selector != null) { try { selector.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException { if (key.isValid()) { // 處理新接入的請求訊息 if (key.isAcceptable()) { // a connection was accepted by a ServerSocketChannel ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); // 6. 監聽到新的客戶端接入,處理新的接入請求我,完成TCP三次握手-->建立鏈路 SocketChannel sc = ssc.accept(); // 7. 設定客戶端鏈路為非阻塞模式 sc.configureBlocking(false); sc.socket().setReuseAddress(true); // 8. 將新接入的客戶端連線註冊到Reactor執行緒的多路複用器上,監聽讀操作,讀取客戶端傳送的訊息 sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } if (key.isReadable()) { // a channel is ready for reading SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 9. 非同步讀取客戶端請求訊息到緩衝區 int readBytes = sc.read(readBuffer); if (readBytes > 0) { readBuffer.flip(); // 10. 讀取解碼報文 byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()]; readBuffer.get(bytes); String body = new String(bytes, "UTF-8"); System.out.println("The time server receive order : " + body); String currentTime = "QUERY TIME ORDER" .equalsIgnoreCase(body) ? new java.util.Date( System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER"; doWrite(sc, currentTime); } else if (readBytes < 0) { // 對端鏈路關閉 key.cancel(); sc.close(); } else { // 讀到0位元組,忽略 } } } } private void doWrite(SocketChannel channel, String response) throws IOException { if (response != null && response.trim().length() > 0) { byte[] bytes = response.getBytes(); ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length); writeBuffer.put(bytes); writeBuffer.flip(); channel.write(writeBuffer); } } }
(2)NIO服務TimeServer
public class TimeServer { public static void main(String[] args) { int port = 8084; MultiplexerTimeServer timeServer = new MultiplexerTimeServer(port); new Thread(timeServer, "NIO-TimeServer").start(); } }
(3)開啟服務端
執行TimeServer:
使用netstat命令檢視是否對8084埠開啟監聽
三、NIO客戶端
1.客戶端序列圖
第一步:開啟SocketChannel,繫結客戶端本地地址(可選,預設系統會隨機會分配一個可用的本地地址)
第二步:設定SocketChannel為非阻塞模式,同時設定客戶端連線的TCP引數
第三步:非同步連線服務端
第四步:判斷是否連線成功,如果連線成功則直接註冊讀狀態位到多路複用中。如果沒有當前沒有連線成功(非同步連線,返回false,說明客戶端已經傳送sync包,服務端沒有返回ack包,物理鏈路還沒建立)
第五步:向Reactor執行緒的多路複用OP_CONNECT狀態位,監聽服務端的TCP ACK應答
第六步:建立Reactor執行緒,建立多路複用器並啟動執行緒。
第七步:多路複用線上程run方法無線迴圈體內輪詢準備就緒的Key
第八步:接收connect事件進行處理
第九步:判斷連線結果,如果連線成功,註冊讀事件到多路複用器,
第十步:註冊讀事件到多路複用器
第十一步:非同步讀客戶端請求訊息到緩衝區
第十二步:對ByteBuffer進行編解碼
第十三步:將POJO物件encode成ByteBuffer,呼叫SocketChannel的非同步write介面,將訊息非同步傳送給客戶端。
2.客戶端示例程式碼
(1)客戶端處理TimeClientHandle
public class TimeClientHandle implements Runnable { private String host; private int port; private Selector selector; private SocketChannel socketChannel; private volatile boolean stop; public TimeClientHandle(String host, int port) { this.host = host == null ? "127.0.0.1" : host; this.port = port; try { // 建立多路複用器並開啟 selector = Selector.open(); // 1.開啟SocketChannel, socketChannel = SocketChannel.open(); // 2.設定SocketChannel非阻塞模式, 這裡不設定TCP引數 socketChannel.configureBlocking(false); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); System.exit(1); } } @Override public void run() { try { // 連線服務端 doConnect(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); System.exit(1); } while (!stop) { try { // 6. 多路複用器線上程run方法的無限迴圈體內輪詢準備就緒的Key selector.select(1000); Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator(); SelectionKey key = null; while (it.hasNext()) { key = it.next(); it.remove(); try { handleInput(key); } catch (Exception e) { if (key != null) { key.cancel(); if (key.channel() != null) { key.channel().close(); } } } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); System.exit(1); } } // 多路複用器關閉後,所有註冊在上面的Channel和Pipe等資源都會被自動去註冊並關閉,所以不需要重複釋放資源 if (selector != null) { try { selector.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } /** * 處理客戶端輸入 * * @param key * @throws IOException */ private void handleInput(SelectionKey key) throws IOException { if (key.isValid()) { // 判斷是否連線成功 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); // 7. 接收connect事件進行處理 if (key.isConnectable()) { // 8. 如果連線完成則註冊讀事件到多路複用器 if (sc.finishConnect()) { sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ); doWrite(sc); } else { System.exit(1);// 連線失敗,程式退出 } } if (key.isReadable()) { ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); // 9. 非同步讀客戶端請求訊息到緩衝區 int readBytes = sc.read(readBuffer); if (readBytes > 0) { readBuffer.flip(); byte[] bytes = new byte[readBuffer.remaining()]; readBuffer.get(bytes); String body = new String(bytes, "UTF-8"); System.out.println("Now is : " + body); this.stop = true; } else if (readBytes < 0) { // 對端鏈路關閉 key.cancel(); sc.close(); } else { // 讀到0位元組,忽略 } } } } private void doConnect() throws IOException { // 3. 非同步連線客戶端 boolean connected = socketChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port)); if (connected) { // 4. 返回true則直接連線成功,則註冊到多路複用器上,傳送請求訊息,讀應答 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); doWrite(socketChannel); } else { // 5. 如果返回false,則說明此時鏈路還沒有建立,則註冊OP_CONNECT狀態位,監聽服務端的TCP ACK應答 socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); } } private void doWrite(SocketChannel sc) throws IOException { byte[] req = "QUERY TIME ORDER".getBytes(); ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length); writeBuffer.put(req); writeBuffer.flip(); sc.write(writeBuffer); if (!writeBuffer.hasRemaining()) { System.out.println("Send order to server succeed."); } } }
(2)NIO客戶端TimeClient
public class TimeClient { public static void main(String[] args) { int port = 8084; new Thread(new TimeClientHandle("127.0.0.1", port), "NIO-TimeClient").start(); } }
(3)執行客戶端
執行TimeClient:
此時服務端Console:
四、NIO程式設計的優點
1.NIO程式設計的優勢與缺點
(1)客戶端發起的連線操作是非同步的
可以通過在多路複用器註冊OP_CONNECT等待後續結果,不需要像之前的客戶端被同步阻塞。
(2)SocketChannel的讀寫操作都是非同步的
如果沒有可讀寫資料不會等待直接返回,I/O通訊執行緒就可以處理其他鏈路,不需要同步等待鏈路可用。
(3)執行緒模型的優化
Selector在Linux等主流系統上是通過epoll實現,沒有連線控制程式碼的限制,意味著一個Selector可以處理成千上萬的客戶端連線,而且效能不會降低
(4)同步非阻塞通訊
NIO需要開啟執行緒不斷迴圈去獲取操作結果,看起來不是很明智,真正有效的應該是基於非同步回撥獲取結果的,JDK 1.7以後就提供了非同步非堵塞的IO操作方式,所以人們叫它 AIO(Asynchronous IO),非同步 IO 是基於事件和回撥機制實現的。
2.Selector基本工作原理
首先,需要將 Channel 註冊到 Selector 中,這樣 Selector 才知道哪些 Channel 是它需要管理的。之後,Selector 會不斷地輪詢註冊在其上的 Channel 。如果某個 Channel 上面發生了讀或者寫事件,這個 Channel 就處於就緒狀態,會被 Selector 輪詢出來,然後通過 SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合,進行後續的 I/O 操作。
關於Selector操作的程式碼示例模板:
// 建立 Selector Selector selector = Selector.open(); channel.configureBlocking(false); // 註冊 Channel 到 Selector 中 SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); while(true) { // 通過 Selector 選擇 Channel int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) { continue; } // 獲得可操作的 Channel Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 遍歷 SelectionKey 陣列 Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator(); while (keyIterator.hasNext()) { SelectionKey key = keyIterator.next(); if (key.isAcceptable()) { // a connection was accepted by a ServerSocketChannel. } else if (key.isConnectable()) { // a connection was established with a remote server. } else if (key.isReadable()) { // a channel is ready for reading } else if (key.isWritable()) { // a channel is ready for writing } // 移除 keyIterator.remove(); } }