Netty与NIO超详细讲解

目录

• Linux下的五种I/O模型
• 阻塞IO的流程
• IO复用
• 信号驱动I/O
• 异步IO
• NIO
• I0多路复用
• NIO核心组件
• 使用Java原生API实现NIO操作
• Redis为什么支持高并发

Linux下的五种I/O模型

1)阻塞I/O（blocking I/O）

2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）

3) I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）

4)信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）

5)异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

前面四种都是同步io、第五种是异步IO；

阻塞式：当程序没有获取到数据的时候，整个应用可能会产生阻塞，放弃了CPU执行，无法去做其他事情。

非阻塞式：不管有没有获取到数据，都必须立马返回一个结果，如果没有获取到数据的情况下返回一个错误标记，根据错误的标记不断轮询。BIO属于阻塞式的io操作。可以使用多线程实现异步I0，同时处理多个请求。缺点:非常消耗服务器资源CPU

阻塞IO的流程

BIO属于阻塞式的io操作。

可以使用多线程实现异步IO，同时处理多个请求。缺点:非常消耗服务器资源CPU

当我们在调用一个io函数的时候，如果没有获取到数据的情况下，那么就会一直等待；等待的过程中会导致整个应用程序一直是一个阻塞的过程，无法去做其他的实现。

IO复用

IO复用机制：IO实际指的就是网络的IO、多路也就是多个不同的tcp连接；复用也就是指使用同一个线程合并处理多个不同的IO操作，这样的话可以减少CPU资源。

信号驱动I/O

发出一个请求实现观察监听，当有数据的时候直接走我们异步回调；

异步IO

异步io也就是发出请求数据之后，剩下的事情完全实现异步完成

同步与异步

站在多线程的角度总结：

同步整个应用代码执行顺序是从上往下执行 并且返回到结果；

异步：开启多个不同的分支实现并行执行 每个线程互不影响；

站在web项目角度分析

默认的情况Http请求就是一个同步形式实现调用 基于请求与响应，如果我们响应非常耗时的话，会导致客户端一直等待（用户体验非常不好）

NIO

Java的nio是在Jdk1.4版本之后推出了一套新的io方案，这种io方案对原有io做了一次性能上的升级

NIO翻译成英文 no blocking io 简称为 nio 非阻塞io，不是new io。

比传统的io支持了面向缓冲区、基于通道实现的io的方案。

BIO 与 NIO 区别:

Bio是一个阻塞式的io,它是西向与流传输也就是根据每个字节实现传输效率非常低，

而我们的nio是雨向与缓冲区的非阻塞边.其中最大的亮点:运多路复用机制，

I0多路复用

多路实际上指的是多个不同的 tcp 连接。

复用:一个线程可以维护多个不同的io操作。

优点:占用cpu资源非常小、保证线程安全问题。

IO 多路复用实现原理

使用一个Java案例来描述IO多路复用的思路：

public class SocketNioTcpServer {
    private static List<SocketChannel> listSocketChannel = new ArrayList<>();
    private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 1.创建一个ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
            // 2. 绑定地址
            ServerSocketChannel bind = serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            while (true) {
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                if (socketChannel != null) {
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    listSocketChannel.add(socketChannel);
                }
                for (SocketChannel scl : listSocketChannel) {
                    try {
                        int read = scl.read(byteBuffer);
                        if (read > 0) {
                            byteBuffer.flip();
                            Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
                            String receiveText = charset.newDecoder().decode
                                    (byteBuffer.asReadOnlyBuffer()).toString();
                            System.out.println("receiveText:" + receiveText);
                        }
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

NIO核心组件

通道（Channel）

通常我们nio所有的操作都是通过通道开始的，所有的通道都会注册到统一个选择器(Selector)上实现管理，在通过选择器将数据统一写入到 buffer中。

缓冲区(Buffer)

Buffer本质上就是一块内存区，可以用来读取数据，也就先将数据写入到缓冲区中、在统一的写入到硬盘上。

选择器(Selector)

Selector可以称做为选择器，也可以把它叫做多路复用器，可以在单线程的情况下可以去维护多个Channel，也可以去维护多个连接；

使用Java原生API实现NIO操作

public class NIOServer {
    /**
     * 创建一个选择器
     */
    private Selector selector;
    public void initServer(int port) throws IOException {
        // 获得一个ServerSocketChannel通道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        // 设置通道为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
        // 获得一个通道管理器
        this.selector = Selector.open();
        // 将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
        // 当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
    public void listen() throws IOException {
        System.out.println("服务端启动成功！");
        // 轮询访问selector
        while (true) {
            // 当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
            int select = selector.select();
            if (select == 0) {
                continue;
            }
            // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
            Iterator<SelectionKey> ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
            while (ite.hasNext()) {
                SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
                // 删除已选的key,以防重复处理
                ite.remove();

                if (key.isAcceptable()) {// 客户端请求连接事件
                    ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    // 获得和客户端连接的通道
                    SocketChannel channel = server.accept();
                    // 设置成非阻塞
                    channel.configureBlocking(false);
                    // 在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
                    channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

                } else if (key.isReadable()) {// 获得了可读的事件
                    read(key);
                }

            }

        }
    }
    public void read(SelectionKey key) throws IOException {
        // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取的缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
        channel.read(buffer);
        byte[] data = buffer.array();
        String msg = new String(data).trim();
        System.out.println("服务端收到信息：" + msg);
        ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes("utf-8"));
        channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        NIOServer server = new NIOServer();
        server.initServer(8000);
        server.listen();
    }
}

Redis为什么支持高并发

Redis官方没有windows版本redis，只有linux版本的reids。

Redis的底层是采用nio 多路io复用机制实现对多个不同的连接（tcp）实现io的复用；能够非常好的支持高并发，同时能够先天性支持线程安全的问题。为什么现场安全？因为使用一个线程维护多个不同的io操作 原理使用nio的选择器，将多个不同的Channel统一交给我们的selector(选择器管理)。

但是nio的实现在不同的操作系统上存在差别：在我们windows操作系统上使用 select 实现轮训机制、在linux操作系统使用epoll

备注：windows操作系统是没有epoll

在windows操作系统中使用select实现轮训机制时间复杂度是为 o(n),而且这种情况也会存在空轮训的情况，效率非常低、其次默认对我们的轮训有一定限制，所以这样的话很难支持上万tcp连接。

所以在这时候linux操作就出现epoll实现事件驱动回调形式通知，不会存在空轮训的情况，只是对活跃的socket实现主动回调，这样的性能有很大的提升 所以时间复杂度为是o(1)

注意：windows操作系统没有epoll、只有linux操作系统有。

所以为什么Nginx、redis能够支持非常高的并发 最终都是靠的linux版本的 io 多路复用机制epoll

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