第1章Netty介绍和应用场景

1.1Netty介绍

• Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架，现为Github上的独立项目。

• Netty是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络IO程序。

• Netty主要针对在TCP协议下，面向Clients端的高并发应用，或者Peer-to-peor场景下的大量数据持续传输的应用。

• Netty本质是一个NIO框架，适用于服务器通讯相关的多种应用场景

• 要透彻理解Netty ,需要先学习NIO，这样我们才能阅读Netty的源码。

1.2应用场景

• 互联网行业：分布式RPC
• 游戏行业：定制开发私有协议栈、地图服务
• 大数据领域：Spark和Hadoop通信、序列化组件

第2章Java BIO编程

2.1 IO模型

• I/O 模型简单的理解：就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能
• Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO
• Java BIO ： 同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销
• Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理
• Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

2.2BIO、NIO、AIO适用场景分析

• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。
• NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
• AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

2.3JavaBIO基本介绍

• Java BIO 就是传统的java io编程，其相关的类和接口在 java.io
• BIO(blocking I/O) ： 同步阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。
• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，程序简单易理解

BIO编程简单流程

• 服务器端启动一个ServerSocket
• 客户端启动Socket对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户 建立一个线程与之通讯
• 客户端发出请求后, 先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝
• 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，在继续执行

实例说明：

1)使用BIO模型编写一个服务器端，监听6666端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通讯。

2)要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。

3)服务器端可以接收客户端发送的数据(telnet 方式即可)。

BIOServer.java

public class BIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception {//线程池机制//思路//1. 创建一个线程池//2. 如果有客户端连接，就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();//创建ServerSocketServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);System.out.println("服务器启动了");while (true) {System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());//监听，等待客户端连接System.out.println("等待连接....");final Socket socket = serverSocket.accept();System.out.println("连接到一个客户端");//就创建一个线程，与之通讯(单独写一个方法)newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {public void run() { //我们重写//可以和客户端通讯handler(socket);}});}}//编写一个handler方法，和客户端通讯public static void handler(Socket socket) {try {System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());byte[] bytes = new byte[1024];//通过socket 获取输入流InputStream inputStream = socket.getInputStream();//循环的读取客户端发送的数据while (true) {System.out.println("线程信息 id =" + Thread.currentThread().getId() + " 名字=" + Thread.currentThread().getName());System.out.println("read....");int read =  inputStream.read(bytes);if(read != -1) {System.out.println(new String(bytes, 0, read)); //输出客户端发送的数据} else {break;}}}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {System.out.println("关闭和client的连接");try {socket.close();}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}

使用nc localhost 6666来进行测试即可。

JavaBIO问题分析

1)每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write 。

2)当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。

3)连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费

第3章Java NIO编程

3.1Java NIO基本介绍

• Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO(即 New IO)，是同步非阻塞的
• NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。【基本案例】
• NIO 有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector(选择器)
• NIO是面向缓冲区 ，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络
• Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。【后面有案例说明】
• 通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。
• HTTP2.0使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比HTTP1.1大了好几个数量级。

import java.nio.IntBuffer;public class BasicBuffer {public static void main(String[] args) {//举例说明Buffer 的使用 (简单说明)//创建一个Buffer, 大小为 5, 即可以存放5个intIntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);//向buffer 存放数据
//        intBuffer.put(10);
//        intBuffer.put(11);
//        intBuffer.put(12);
//        intBuffer.put(13);
//        intBuffer.put(14);for(int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {intBuffer.put( i * 2);}//如何从buffer读取数据//将buffer转换，读写切换(!!!)/*public final Buffer flip() {limit = position; //读数据不能超过5position = 0;mark = -1;return this;}*/intBuffer.flip();intBuffer.position(1);//1,2System.out.println(intBuffer.get());intBuffer.limit(3);while (intBuffer.hasRemaining()) {System.out.println(intBuffer.get());}}
}

3.2NIO和BIO的比较

• BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多
• BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的
• BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道

3.3NIO三大核心原理示意图

一张图描述NIO 的 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系

Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系图(简单版)关系图的说明:

1)每个channel 都会对应一个Buffer

2)Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)

3)该图反应了有三个channel 注册到 该selector //程序

4)程序切换到哪个channel 是有事件决定的, Event 就是一个重要的概念

5)Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换

6)Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组

7)数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO , BIO 中要么是输入流，或者是输出流, 不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换

8)channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统 通道就是双向的.

3.4缓冲区

3.4.1基本介绍

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer，如图: 【后面举例说明】

3.4.2Buffer类及其子类

1）在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类, 类的层级关系图:

常用Buffer子类一览

1)ByteBuffer，存储字节数据到缓冲区

2)ShortBuffer，存储字符串数据到缓冲区

3)CharBuffer，存储字符数据到缓冲区

4)IntBuffer，存储整数数据到缓冲区

5)LongBuffer，存储长整型数据到缓冲区

6)DoubleBuffer，存储小数到缓冲区

7)FloatBuffer，存储小数到缓冲区

3)Buffer类相关方法一览

3.4.3ByteBuffer

从前面可以看出对于 Java 中的基本数据类型(boolean除外)，都有一个 Buffer 类型与之相对应，最常用的自然是ByteBuffer 类（二进制数据），该类的主要方法如下：

3.5通道

3.5.1基本介绍

1)NIO的通道类似于流，但有些区别如下：

• 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
• 通道可以实现异步读写数据
• 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲

2)BIO 中的 stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道(Channel)是双向的，可以读操作，也可以写操作。

3)Channel在NIO中是一个接口
public interface Channel extendsCloseable{}

4)常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket , SocketChannel 类似 Socket】

5)FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

3.5.2FileChannel类

FileChannel主要用来对本地文件进行 IO 操作，常见的方法有

1)public int read(ByteBuffer dst) ，从通道读取数据并放到缓冲区中
2)public int write(ByteBuffer src) ，把缓冲区的数据写到通道中
3)public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
4)public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

3.5.3应用案例1-本地文件写数据

实例要求:

1)使用前面学习后的ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 “hello world” 写入到file01.txt 中

2)文件不存在就创建

3)代码演示

public class NIOFileChannel01 {public static void main(String[] args) throws IOException {String str = "hello world";//创建一个输出流FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("G:\\file01.txt");//根据流获取channelFileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();//创建一个缓冲区ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//将str放入bytebufferbuffer.put(str.getBytes());//对byteBuffer进行转换buffer.flip();//将bytebuffer写入到fileChannelfileChannel.write(buffer);fileOutputStream.close();}
}

3.5.4应用案例2-本地文件读数据

实例要求:

1)使用前面学习后的ByteBuffer(缓冲) 和 FileChannel(通道)， 将 file01.txt 中的数据读入到程序，并显示在控制台屏幕

2)假定文件已经存在

3)代码演示

public class NIOFileChannel02 {public static void main(String[] args) throws IOException {//创建一个输入流File file = new File("G:\\file01.txt");FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);//根据流获取channelFileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();//创建一个缓冲区ByteBufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());//将通道数据读入到bufferfileChannel.read(buffer);//将byte转换为StringSystem.out.println(new String(buffer.array()));fileInputStream.close();}
}

3.5.5应用实例3-使用一个Buffer完成文件读取

实例要求:

1)使用 FileChannel(通道) 和 方法 read , write，完成文件的拷贝

2)拷贝一个文本文件 1.txt , 放在项目下即可

3)代码演示

public class NIOFileChannel03 {public static void main(String[] args) throws Exception {FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("G:\\file01.txt");FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("G:\\2.txt");FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);while (true) { //循环读取//这里有一个重要的操作，一定不要忘了/*public final Buffer clear() {position = 0;limit = capacity;mark = -1;return this;}*/byteBuffer.clear(); //清空bufferint read = fileChannel01.read(byteBuffer);System.out.println("read =" + read);if(read == -1) { //表示读完break;}//将buffer 中的数据写入到 fileChannel02 -- 2.txtbyteBuffer.flip();fileChannel02.write(byteBuffer);}//关闭相关的流fileInputStream.close();fileOutputStream.close();}
}

3.5.6应用实例4-拷贝文件transferFrom 方法

实例要求:

1)使用 FileChannel(通道)和方法transferFrom，完成文件的拷贝

2)拷贝一张图片

3)代码演示

public class NIOFileChannel04 {public static void main(String[] args)  throws Exception {//创建相关流FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("G:\\file01.txt");FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("G:\\file02.txt");//获取各个流对应的filechannelFileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();//使用transferForm完成拷贝destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());//关闭相关通道和流sourceCh.close();destCh.close();fileInputStream.close();fileOutputStream.close();}
}

3.5.7关于Buffer 和 Channel的注意事项和细节

1)ByteBuffer 支持类型化的put 和 get, put 放入的是什么数据类型，get就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。

2)可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer

3)NIO 还提供了 MappedByteBuffer， 可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改， 而如何同步到文件由NIO 来完成

4)前面我们讲的读写操作，都是通过一个Buffer 完成的，NIO 还支持 通过多个Buffer (即 Buffer 数组) 完成读写操作，即 Scattering 和 Gathering

3.6选择器

3.6.1基本介绍

1)Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)

2)Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。【示意图】

3)只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程避免了多线程之间的上下文切换导致的开销

3.6.2Selector示意图和特点说明

1)Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector(选择器，也叫多路复用器)，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。

2)当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。

3)线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

4)由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。

5)一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

3.6.3Selector类相关方法

Selector 类是一个抽象类, 常用方法和说明如下:

public abstract class Selector implements Closeable { public static Selector open();//得到一个选择器对象public int select(long timeout);//监控所有注册的通道，当其中有 IO 操作可以进行时，将对应的 SelectionKey 加入到内部集合中并返回，参数用来设置超时时间public Set<SelectionKey> selectedKeys();//从内部集合中得到所有的 SelectionKey
}

3.6.4注意事项

1)NIO中的 ServerSocketChannel功能类似ServerSocket，SocketChannel功能类似Socket

2)selector 相关方法说明

selector.select()//阻塞
selector.select(1000);//阻塞1000毫秒，在1000毫秒后返回
selector.wakeup();//唤醒selector
selector.selectNow();//不阻塞，立马返还

3.7NIO非阻塞 网络编程原理分析图

NIO 非阻塞 网络编程相关的(Selector、SelectionKey、ServerScoketChannel和SocketChannel) 关系梳理图

对上图的说明:

1.当客户端连接时，会通过ServerSocketChannel 得到 SocketChannel

2.Selector 进行监听 select 方法, 返回有事件发生的通道的个数.

3.将socketChannel注册到Selector上, register(Selector sel, int ops), 一个selector上可以注册多个SocketChannel

4.注册后返回一个 SelectionKey, 会和该Selector 关联(集合)

5.进一步得到各个 SelectionKey (有事件发生)

6.在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel , 方法 channel()

7.可以通过 得到的 channel , 完成业务处理

8.案例要求:

1)编写一个 NIO 入门案例，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）

2)目的：理解NIO非阻塞网络编程机制

服务端

public class NIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception{//创建ServerSocketChannel -> ServerSocketServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();//得到一个Selecor对象Selector selector = Selector.open();//绑定一个端口6666, 在服务器端监听serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));//设置为非阻塞serverSocketChannel.configureBlocking(false);//把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPTserverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); // 1//循环等待客户端连接while (true) {//这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");continue;}//如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合//1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件//2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合//   通过 selectionKeys 反向获取通道Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());//遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {//获取到SelectionKeySelectionKey key = keyIterator.next();//根据key 对应的通道发生的事件做相应处理if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接//该该客户端生成一个 SocketChannelSocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());//将  SocketChannel 设置为非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);//将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel//关联一个BuffersocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..}if(key.isReadable()) {  //发生 OP_READ//通过key 反向获取到对应channelSocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();//获取到该channel关联的bufferByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();channel.read(buffer);System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));}//手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作keyIterator.remove();}}}
}

客户端

public class NIOClient {public static void main(String[] args) throws Exception{//得到一个网络通道SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();//设置非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);//提供服务器端的ip 和 端口InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);//连接服务器if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {//当时这里没写非的符号，报错了while (!socketChannel.finishConnect()) {System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");}}//...如果连接成功，就发送数据String str = "hello, 尚硅谷~";//Wraps a byte array into a bufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());//发送数据，将 buffer 数据写入 channelsocketChannel.write(buffer);System.in.read();}
}

3.8SelectionKey

1)SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系, 共四种:

int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16

int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8

int OP_READ：代表读操作，值为 1

int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

源码中：

public static final int OP_READ = 1 << 0;public static final int OP_WRITE = 1 << 2;public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

2)SelectionKey相关方法

public abstract class SelectionKey {public abstract Selector selector();//得到与之关联的 Selector 对象public abstract SelectableChannel channel();//得到与之关联的通道public final Object attachment();//得到与之关联的共享数据public abstract SelectionKey interestOps(int ops);//设置或改变监听事件public final boolean isAcceptable();//是否可以 acceptpublic final boolean isReadable();//是否可以读public final boolean isWritable();//是否可以写
}

3.9SocketChannel

3.9.1ServerSocketChannel

1)ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接

2)相关方法如下

public abstract class ServerSocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements NetworkChannel{public static ServerSocketChannel open()，得到一个 ServerSocketChannel 通道public final ServerSocketChannel bind(SocketAddress local)，设置服务器端端口号public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block)，设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式public SocketChannel accept()，接受一个连接，返回代表这个连接的通道对象public final SelectionKey register(Selector sel, int ops)，注册一个选择器并设置监听事件
}

3.9.2SocketChannel

1)SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。

2)相关方法如下

public abstract class SocketChannel extends AbstractSelectableChannel implements ByteChannel, ScatteringByteChannel, GatheringByteChannel, NetworkChannel{public static SocketChannel open();//得到一个 SocketChannel 通道public final SelectableChannel configureBlocking(boolean block);//设置阻塞或非阻塞模式，取值 false 表示采用非阻塞模式public boolean connect(SocketAddress remote);//连接服务器public boolean finishConnect();//如果上面的方法连接失败，接下来就要通过该方法完成连接操作public int write(ByteBuffer src);//往通道里写数据public int read(ByteBuffer dst);//从通道里读数据public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att);//注册一个选择器并设置监听事件，最后一个参数可以设置共享数据public final void close();//关闭通道
}

3.10网络编程应用实例-群聊系统

实例要求:

1)编写一个 NIO 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）

2)实现多人群聊

3)服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能

4)客户端：通过channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息(有服务器转发得到)

5)目的：进一步理解NIO非阻塞网络编程机制

服务端

public class GroupChatServer {//定义属性private Selector selector;private ServerSocketChannel listenChannel;private static final int PORT = 6667;//构造器//初始化工作public GroupChatServer() {try {//得到选择器selector = Selector.open();//ServerSocketChannellistenChannel =  ServerSocketChannel.open();//绑定端口listenChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(PORT));//设置非阻塞模式listenChannel.configureBlocking(false);//将该listenChannel 注册到selectorlistenChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);}catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}//监听public void listen() {System.out.println("监听线程: " + Thread.currentThread().getName());try {//循环处理while (true) {int count = selector.select();if(count > 0) {//有事件处理//遍历得到selectionKey 集合Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {//取出selectionkeySelectionKey key = iterator.next();//监听到acceptif(key.isAcceptable()) {SocketChannel sc = listenChannel.accept();sc.configureBlocking(false);//将该 sc 注册到seletorsc.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//提示System.out.println(sc.getRemoteAddress() + " 上线 ");}if(key.isReadable()) { //通道发送read事件，即通道是可读的状态//处理读 (专门写方法..)readData(key);}//当前的key 删除，防止重复处理iterator.remove();}} else {System.out.println("等待....");}}}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}finally {//发生异常处理....}}//读取客户端消息private void readData(SelectionKey key) {//取到关联的channleSocketChannel channel = null;try {//得到channelchannel = (SocketChannel) key.channel();//创建bufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int count = channel.read(buffer);//根据count的值做处理if(count > 0) {//把缓存区的数据转成字符串String msg = new String(buffer.array());//输出该消息System.out.println("form 客户端: " + msg);//向其它的客户端转发消息(去掉自己), 专门写一个方法来处理sendInfoToOtherClients(msg, channel);}}catch (IOException e) {try {System.out.println(channel.getRemoteAddress() + " 离线了..");//取消注册key.cancel();//关闭通道channel.close();}catch (IOException e2) {e2.printStackTrace();;}}}//转发消息给其它客户(通道)private void sendInfoToOtherClients(String msg, SocketChannel self ) throws  IOException{System.out.println("服务器转发消息中...");System.out.println("服务器转发数据给客户端线程: " + Thread.currentThread().getName());//遍历 所有注册到selector 上的 SocketChannel,并排除 selffor(SelectionKey key: selector.keys()) {//通过 key  取出对应的 SocketChannelChannel targetChannel = key.channel();//排除自己if(targetChannel instanceof  SocketChannel && targetChannel != self) {//转型SocketChannel dest = (SocketChannel)targetChannel;//将msg 存储到bufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes());//将buffer 的数据写入 通道dest.write(buffer);}}}public static void main(String[] args) {//创建服务器对象GroupChatServer groupChatServer = new GroupChatServer();groupChatServer.listen();}
}//可以写一个Handler
class MyHandler {public void readData() {}public void sendInfoToOtherClients(){}
}

客户端

public class GroupChatClient {//定义相关的属性private final String HOST = "127.0.0.1"; // 服务器的ipprivate final int PORT = 6667; //服务器端口private Selector selector;private SocketChannel socketChannel;private String username;//构造器, 完成初始化工作public GroupChatClient() throws IOException {selector = Selector.open();//连接服务器socketChannel = socketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", PORT));//设置非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);//将channel 注册到selectorsocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//得到usernameusername = socketChannel.getLocalAddress().toString().substring(1);System.out.println(username + " is ok...");}//向服务器发送消息public void sendInfo(String info) {info = username + " 说：" + info;try {socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(info.getBytes()));}catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}//读取从服务器端回复的消息public void readInfo() {try {int readChannels = selector.select();if(readChannels > 0) {//有可以用的通道Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();if(key.isReadable()) {//得到相关的通道SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();//得到一个BufferByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);//读取sc.read(buffer);//把读到的缓冲区的数据转成字符串String msg = new String(buffer.array());System.out.println(msg.trim());}}iterator.remove(); //删除当前的selectionKey, 防止重复操作} else {//System.out.println("没有可以用的通道...");}}catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}public static void main(String[] args) throws Exception {//启动我们客户端GroupChatClient chatClient = new GroupChatClient();//启动一个线程, 每个3秒，读取从服务器发送数据new Thread() {public void run() {while (true) {chatClient.readInfo();try {Thread.currentThread().sleep(3000);}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}.start();//发送数据给服务器端Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (scanner.hasNextLine()) {String s = scanner.nextLine();chatClient.sendInfo(s);}}
}

3.11NIO与零拷贝

3.11.1零拷贝基本介绍

1)零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开。

2)在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。那么，在 OS 里到底是怎么样的一个的设计？我们分析 mmap 和 sendFile 这两个零拷贝

3)另外我们看下NIO 中如何使用零拷贝

3.11.2传统IO数据读写

Java 传统 IO 和 网络编程的一段代码

File file = new File("test.txt");
RandomAccessFile raf = new RandomAccessFile(file, "rw");byte[] arr = new byte[(int) file.length()];
raf.read(arr);Socket socket = new ServerSocket(8080).accept();
socket.getOutputStream().write(arr);

3.11.3传统IO模型

DMA: direct memory access 直接内存拷贝(不使用CPU)

3.11.4 mmap优化

1)mmap 通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数。如下图

2)mmap示意图

3.11.5 sendFile 优化

1)Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换

2)示意图和小结

提示：零拷贝从操作系统角度，是没有cpu 拷贝

3)Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。具体如下图和小结：

这里其实有 一次cpu 拷贝 kernel buffer -> socket buffer 但是，拷贝的信息很少，比如lenght , offset , 消耗低，可以忽略

3.11.6 零拷贝的再次理解

1）我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据）。

2）零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

3.11.7 mmap和sendFile的区别

1)mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。

2)mmap 需要 4 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 3 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。

3)sendFile 可以利用 DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。

3.11.8 NIO 零拷贝案例

案例要求：

1)使用传统的IO 方法传递一个大文件

2)使用NIO 零拷贝方式传递(transferTo)一个大文件

3)看看两种传递方式耗时时间分别是多少

传统IO方式

//服务器
public class OldIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(7001);while (true) {Socket socket = serverSocket.accept();DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(socket.getInputStream());try {byte[] byteArray = new byte[4096];while (true) {int readCount = dataInputStream.read(byteArray, 0, byteArray.length);if (-1 == readCount) {break;}}} catch (Exception ex) {ex.printStackTrace();}}}
}//客户端
public class OldIOClient {public static void main(String[] args) throws Exception {Socket socket = new Socket("localhost", 7001);String fileName = "protoc-3.6.1-win32.zip";InputStream inputStream = new FileInputStream(fileName);DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(socket.getOutputStream());byte[] buffer = new byte[4096];long readCount;long total = 0;long startTime = System.currentTimeMillis();while ((readCount = inputStream.read(buffer)) >= 0) {total += readCount;dataOutputStream.write(buffer);}System.out.println("发送总字节数： " + total + ", 耗时： " + (System.currentTimeMillis() - startTime));dataOutputStream.close();socket.close();inputStream.close();}
}

优化后的方法

//服务器
public class NewIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception {InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(7001);ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket();serverSocket.bind(address);//创建bufferByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4096);while (true) {SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();int readcount = 0;while (-1 != readcount) {try {readcount = socketChannel.read(byteBuffer);}catch (Exception ex) {// ex.printStackTrace();break;}//byteBuffer.rewind(); //倒带 position = 0 mark 作废}}}
}//客户端
public class NewIOClient {public static void main(String[] args) throws Exception {SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7001));String filename = "protoc-3.6.1-win32.zip";//得到一个文件channelFileChannel fileChannel = new FileInputStream(filename).getChannel();//准备发送long startTime = System.currentTimeMillis();//在linux下一个transferTo 方法就可以完成传输//在windows 下 一次调用 transferTo 只能发送8m , 就需要分段传输文件, 而且要主要//传输时的位置 =》 课后思考...//transferTo 底层使用到零拷贝long transferCount = fileChannel.transferTo(0, fileChannel.size(), socketChannel);System.out.println("发送的总的字节数 =" + transferCount + " 耗时:" + (System.currentTimeMillis() - startTime));//关闭fileChannel.close();}
}

3.12Java AIO基本介绍

1)JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，常用到两种模式：Reactor和 Proactor。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理

2)AIO 即 NIO2.0，叫做异步不阻塞的 IO。AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

3)目前 AIO 还没有广泛应用，Netty 也是基于NIO, 而不是AIO， 因此我们就不详解AIO了，有兴趣的同学可以参考 <<Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍>> http

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