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本文是Netty系列第4篇

上一篇文章我們深入了解了I/O多路復(fù)用的三種實(shí)現(xiàn)形式，select/poll/epoll。

那Netty是使用哪種實(shí)現(xiàn)的I/O多路復(fù)用呢？這個(gè)問題，得從Java NIO包說起。

Netty實(shí)際上也是一個(gè)封裝好的框架，它的網(wǎng)絡(luò)I/O本質(zhì)上還是使用了Java的NIO包(New IO，不是網(wǎng)絡(luò)I/O模型的NIO，Nonblocking IO)包。所以，從網(wǎng)絡(luò)I/O模型到Netty，我們還需要了解下Java NIO包。

本文預(yù)計(jì)閱讀時(shí)間 5 分鐘，將重點(diǎn)回答以下幾個(gè)問題：

如何用Java NIO包實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)端
Java NIO包如何實(shí)現(xiàn)I/O多路復(fù)用模型
有了Java NIO包，為什么還要封裝一個(gè)Netty?

1.先來看一個(gè)Java NIO服務(wù)端的例子

上一篇文章我們已經(jīng)了解了I/O多路復(fù)用的實(shí)現(xiàn)形式。
就是多個(gè)的進(jìn)程的IO可以注冊(cè)到一個(gè)復(fù)用器（selector）上，然后用一個(gè)進(jìn)程調(diào)用select，select會(huì)監(jiān)聽所有注冊(cè)進(jìn)來的IO。

NIO包做了對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。

有一個(gè)統(tǒng)一的selector負(fù)責(zé)監(jiān)聽所有的Channel。這些channel中只要有一個(gè)有IO動(dòng)作，就可以通過Selector.select（）方法檢測(cè)到，并且使用selectedKeys得到這些有IO的channel，然后對(duì)它們調(diào)用相應(yīng)的IO操作。

我們來個(gè)簡(jiǎn)單的demo做一下演示。如何使用NIO中三個(gè)核心組件（Buffer緩沖區(qū)、Channel通道、Selector選擇器）來編寫一個(gè)服務(wù)端程序。

public class NioDemo {
public static void main(String[] args) {
try {
//1.創(chuàng)建channel
            ServerSocketChannel socketChannel1 = ServerSocketChannel.open();
//設(shè)置為非阻塞模式，默認(rèn)是阻塞的
            socketChannel1.configureBlocking(false);
            socketChannel1.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8811));

            ServerSocketChannel socketChannel2 = ServerSocketChannel.open();
            socketChannel2.configureBlocking(false);
            socketChannel2.socket().bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8822));

//2.創(chuàng)建selector，并將channel1和channel2進(jìn)行注冊(cè)。
            Selector selector = Selector.open();
            socketChannel1.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            socketChannel2.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
//3.一直阻塞直到有至少有一個(gè)通道準(zhǔn)備就緒
int readChannelCount = selector.select();
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
//4.輪訓(xùn)已經(jīng)就緒的通道
while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
//5.判斷準(zhǔn)備就緒的事件類型，并作相應(yīng)處理
if (key.isAcceptable()) {
// 創(chuàng)建新的連接，并且把連接注冊(cè)到selector上，并且聲明這個(gè)channel只對(duì)讀操作感興趣。
                        ServerSocketChannel serverSocketChannel = (ServerSocketChannel)key.channel();
                        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    }
if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer readBuff = ByteBuffer.allocate(1024);
                        socketChannel.read(readBuff);
                        readBuff.flip();
                        System.out.println("received : " + new String(readBuff.array()));
                        socketChannel.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通過這個(gè)代碼示例，我們能清楚地了解如何用Java NIO包實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)端：

1）創(chuàng)建channel1和channel2，分別監(jiān)聽特定端口。
2）創(chuàng)建selector，并將channel1和channel2進(jìn)行注冊(cè)。
3）selector.select()一直阻塞,直到有至少有一個(gè)通道準(zhǔn)備就緒。
4）輪訓(xùn)已經(jīng)就緒的通道
5）并根據(jù)事件類型做出相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。

程序啟動(dòng)后，會(huì)一直阻塞在selector.select()。
通過瀏覽器調(diào)用localhost:8811 或者 localhost:8822就能觸發(fā)我們的服務(wù)端代碼了。

2.Java NIO包如何實(shí)現(xiàn)I/O多路復(fù)用模型

上文演示的Java NIO服務(wù)端已經(jīng)比較清楚地展示了使用NIO編寫服務(wù)端程序的過程。

那這個(gè)過程中如何實(shí)現(xiàn)了I/O多路復(fù)用的呢？

我們得深入看下selector的實(shí)現(xiàn)。

//2.創(chuàng)建selector，并將channel1和channel2進(jìn)行注冊(cè)。
Selector selector = Selector.open();

從open這里開始吧。

這里用了一個(gè)SelectorProvider來創(chuàng)建selector。

進(jìn)入SelectorProvider.provider(),看到具體的provider是由
sun.nio.ch.DefaultSelectorProvider創(chuàng)建的，對(duì)應(yīng)的方法是：

咦？原來不同的操作系統(tǒng)會(huì)提供不同的provider對(duì)象。這里包括了PollSelectorProvider、EPollSelectorProvide等。

名字是不是有點(diǎn)眼熟？

沒錯(cuò)，跟我們上一篇文章分析過的I/O多路復(fù)用的不同實(shí)現(xiàn)方式poll/epoll有關(guān)。

我們選擇默認(rèn)的
sun.nio.ch.PollSelectorProvider往下看看。

OK，找到了實(shí)現(xiàn)類PollSelectorImpl。

然后，通過以下調(diào)用:

找到最終的native方法poll0。

是不是仍然很眼熟？

沒錯(cuò)！跟我們上一篇文章分析過的poll函數(shù)是一致的。

int poll (struct pollfd *fds, unsigned int nfds, int timeout);

繞了這么久，到最后，還是找到了我們聊過I/O多路復(fù)用的 poll 實(shí)現(xiàn)。

至此，我們終于把Java NIO和 I/O多路復(fù)用模型串聯(lián)起來了。

Java NIO包使用selector，實(shí)現(xiàn)了I/O多路復(fù)用模型。

同時(shí)，在不同的操作系統(tǒng)中，會(huì)有不同的poll/epoll選擇。

3.為什么還需要Netty呢？

那既然已經(jīng)有了NIO包了，我們可以自己手動(dòng)編寫服務(wù)框架了，為什么還需要封裝一個(gè)Netty框架呢？有什么好處呢？

好處當(dāng)然是有很多了！我們從一開始實(shí)現(xiàn)的demo說起。

3.1 設(shè)計(jì)模式的優(yōu)化

我們的demo確實(shí)已經(jīng)能夠工作了，但是還是有比較明顯的問題。第4步（輪詢已經(jīng)就緒的通道）和第5步（對(duì)事件作相應(yīng)處理）是在同一個(gè)線程中的，當(dāng)事件處理比較耗時(shí)甚至阻塞時(shí)，整個(gè)流程就會(huì)阻塞了。

我們使用的實(shí)際上就是 “單Reactor單線程” 設(shè)計(jì)模式。

這種模型在Reactor中負(fù)責(zé)監(jiān)聽端口、接收請(qǐng)求，如果是連接事件交給acceptor處理，如果是讀寫事件和業(yè)務(wù)處理就交給handler處理，但始終只有一個(gè)線程執(zhí)行所有的事情。

為了提高性能，我們理所當(dāng)然相當(dāng)可以把事件處理交給線程池，那就可以演進(jìn)為 “單Reactor多線程” 設(shè)計(jì)模式。

這種模型和第一種模型的主要區(qū)別是把業(yè)務(wù)處理從之前的單一線程脫離出來，換成線程池處理。Reactor線程只處理連接事件、讀寫事件，所有業(yè)務(wù)處理都交給線程池，充分利用多核機(jī)器的資源，提高性能。

但是這仍然不夠！

我們可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)Reactor線程承擔(dān)了所有的網(wǎng)絡(luò)事件，例如監(jiān)聽和響應(yīng)，高并發(fā)場(chǎng)景下單線程存在性能問題。

為了充分利用多核能力，可以構(gòu)建兩個(gè) Reactor，主 Reactor 單獨(dú)監(jiān)聽server socket，accept新連接，然后將建立的 SocketChannel 注冊(cè)給指定的從 Reactor，從Reactor再執(zhí)行事件的讀寫、分發(fā)，把業(yè)務(wù)處理就扔給worker線程池完成。這就演進(jìn)為 ”主從Reactor模式“ 設(shè)計(jì)模式。

所以，如果有人直接幫我們封裝好這樣的設(shè)計(jì)模式，是不是太好了？

沒錯(cuò)，Netty就是這樣的“活雷鋒”!
Netty就使用了主從Reactor模式封裝了Java NIO包的使用，大大提高了性能。

3.2 其他優(yōu)點(diǎn) (以后的核心知識(shí)點(diǎn)）

除了封裝了高性能的設(shè)計(jì)模式外，Netty還有許多其他優(yōu)點(diǎn)：

穩(wěn)定性。 Netty 更加可靠穩(wěn)定，修復(fù)和完善了 JDK NIO 較多已知問題，包括 select 空轉(zhuǎn)導(dǎo)致 CPU 消耗 100%、keep-alive 檢測(cè)等問題。
性能優(yōu)化。對(duì)象池復(fù)用技術(shù)。Netty 通過復(fù)用對(duì)象，避免頻繁創(chuàng)建和銷毀帶來的開銷。零拷貝技術(shù)。除了操作系統(tǒng)級(jí)別的零拷貝技術(shù)外，Netty 提供了面向用戶態(tài)的零拷貝技術(shù)，在 I/O 讀寫時(shí)直接使用 DirectBuffer，避免了數(shù)據(jù)在堆內(nèi)存和堆外內(nèi)存之間的拷貝。
便捷性。 Netty 提供了很多常用的工具，例如行解碼器、長(zhǎng)度域解碼器等。如果我們使用JDK NIO包，那么這些常用工具都需要自己進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

正是因?yàn)?Netty 做到了高性能、高穩(wěn)定性、高易用性，完美彌補(bǔ)了 Java NIO 的不足，所以在我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)編程時(shí)，首選Netty，而不是自己直接使用Java NIO。

回顧一下前幾章內(nèi)容，到目前為止，我們從網(wǎng)絡(luò)I/O模型出發(fā)，一步步了解到了Netty的網(wǎng)絡(luò)I/O模型。

對(duì)于I/O多路復(fù)用、Java NIO包和 Netty 的關(guān)系也有了全面的認(rèn)識(shí)。

有了這些知識(shí)基礎(chǔ)，我們初步了解了Netty是什么，為什么使用Netty。

后面的文章，我們將逐步展開Netty框架的核心知識(shí)點(diǎn)，敬請(qǐng)期待。

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