NIO存在的问题
- NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
- 开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
- JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。
Netty
Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty
netty 下载地址： https://bintray.com/netty/downloads/netty/
线程模型
传统阻塞 I/O 服务模型
黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程, 白色的框表示方法(API)
特点：
- 采用阻塞IO模式获取输入的数据
- 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理,数据返回
问题：
- 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
- 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read 操作，造成线程资源浪费
Reactor 模式
解决传统IO方法
基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)
基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。
- Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)
- 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式
- Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键
Reactor 模式中 核心组成：
- Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
- Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。
单 Reactor 单线程
- Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
- Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
- 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
- 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
- Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程
优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
缺点：
- 性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
- 可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，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
使用场景: 客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况
单Reactor多线程
- Reactor 对象通过select 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过dispatch进行分发
- 如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件
- 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
- handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务
- worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler
- handler收到响应后，通过send 将结果返回给client
优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力
缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行， 在高并发场景容易出现性能瓶颈.
主从 Reactor 多线程
- Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收到事件后，通过Acceptor 处理连接事件
- 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给SubReactor
- subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理
- 当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理
- handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
- worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果
- handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返回给client
- Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor
优点：
- 父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。
- 父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。
缺点：编程复杂度较高
Netty模型
- BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accecpt
- 当接收到Accept事件，获取到对应的SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel并注册到Worker 线程(事件循环), 并进行维护
- 当Worker线程监听到selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理(就由handler)， 注意handler 已经加入到通道
Netty抽象出两组线程池 BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写,BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环 ，每一个事件循环是 NioEventLoop
NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步
轮询accept 事件
处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker IOEventLoop 上的 selector
处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks
每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤
每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的 处理器
Netty入门案例
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| public class NettyServer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup,workGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)
.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
}
});
System.out.println("服务器 is ready");
ChannelFuture cf = bootstrap.bind(6668).sync();
cf.channel().closeFuture().sync();
}finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
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public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
System.out.println("server ctx = " +ctx);
ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
System.out.println("客户端发送的消息是："+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("客户端地址："+ctx.channel().remoteAddress());
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端",CharsetUtil.UTF_8));
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}
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| public class NettyClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
NioEventLoopGroup eventExecutors = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
bootstrap.group(eventExecutors)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
}
});
System.out.println("客户端 ok..");
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6668).sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
}finally {
eventExecutors.shutdownGracefully();
}
}
}
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| public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
System.out.println("服务器回复的消息："+buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("服务器地址："+ctx.channel().remoteAddress());
}
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
System.out.println("client " +ctx);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,server",CharsetUtil.UTF_8));
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
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ctx包含了很多东西
channel和pipeline互相包含 一个对应一个
任务队列
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| public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ctx.channel().eventLoop().execute(()->{
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端2",CharsetUtil.UTF_8));
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("发送异常");
e.printStackTrace();
}
});
ctx.channel().eventLoop().execute(()->{
try {
Thread.sleep(10 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端3",CharsetUtil.UTF_8));
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("发送异常");
e.printStackTrace();
}
});
System.out.println("go on ...");
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端1",CharsetUtil.UTF_8));
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}
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| public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ctx.channel().eventLoop().schedule(()->{
try {
Thread.sleep(10 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端4",CharsetUtil.UTF_8));
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("发送异常");
e.printStackTrace();
}
},5, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("go on ...");
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端1",CharsetUtil.UTF_8));
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}
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这个任务会在5秒后开始 ，经过10秒结束
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bootstrap.group(bossGroup,workGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)
.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
System.out.println("客户socketchannel hashcode= "+ch.hashCode());
ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
}
});
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异步模型
当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的组件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture。
调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果
Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的之上的。callback 就是回调。重点说 Future，它的核心思想是：假设一个方法 fun，计算过程可能非常耗时，等待 fun返回显然不合适。那么可以在调用 fun 的时候，立马返回一个 Future，后续可以通过 Future去监控方法 fun 的处理过程(即 ： Future-Listener 机制)
Future
- 表示异步的执行结果, 可以通过它提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等等.
- ChannelFuture 是一个接口 ：
public interface ChannelFuture extends Future<Void>我们可以添加监听器，当监听的事件发生时，就会通知到监听器. 案例说明
在使用 Netty 进行编程时，拦截操作和转换出入站数据只需要您提供 callback 或利用future 即可。这使得链式操作简单、高效, 并有利于编写可重用的、通用的代码。
Netty 框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来、解脱出来
Future-Listener 机制
当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作。
- 通过 isDone 方法来判断当前操作是否完成；
- 通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功；
- 通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因；
- 通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消；
- 通过 addListener 方法来注册监听器，当操作已完成(isDone 方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果 Future 对象已完成，则通知指定的监听器
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| serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
if(future.isSuccess()) {
System.out.println(newDate() + ": 端口["+ port + "]绑定成功!");
} else{
System.err.println("端口["+ port + "]绑定失败!");
}
});
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绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑
相比传统阻塞 I/O，执行 I/O 操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O 操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量
HTTP服务 入门案例
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| public class TestServer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(bossGroup,workGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new TestServerInitializer());
ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(7001).sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
}finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
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| public class TestServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
pipeline.addLast("MyHttpServerCodec",new HttpServerCodec());
pipeline.addLast("MyTestHttpServerHandler",new TestHttpServerHandler());
}
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public class TestHttpServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<HttpObject> {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, HttpObject msg) throws Exception {
if (msg instanceof HttpRequest){
System.out.println("msg 类型="+msg.getClass());
System.out.println("客户端的地址="+ctx.channel().remoteAddress());
HttpRequest httpRequest = (HttpRequest) msg;
URI uri = new URI(httpRequest.uri());
if ("/favicon.ico".equals(uri.getPath())){
System.out.println("请求了图标不做相应");
return;
}
ByteBuf content = Unpooled.copiedBuffer("hello,我是服务器",CharsetUtil.UTF_8);
FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK, content);
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE,"text/plain;charset=utf-8");
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH,content.readableBytes());
ctx.writeAndFlush(response);
}
}
}
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每个请求一个handler
