从IO到NIO再到Netty

Sue hiroshi

2024-03-21 帮助3人

一、IO、NIO与Netty

IO

阻塞IO 和非阻塞IO 这两个概念是程序级别的。主要描述的是程序请求操作系统IO操作后，如果IO资源没有准备好，那么程序该如何处理的问题：前者等待；后者继续执行（但是使用线程一直轮询，直到有IO资源准备好了）。
同步IO 和异步IO，这两个概念是操作系统级别的。主要描述的是操作系统在收到程序请求IO操作后，如果IO资源没有准备好，该如何响应程序的问题：前者不响应，直到IO资源准备好以后；后者返回一个标记（好让程序和自己知道以后的数据往哪里通知），当IO资源准备好以后，再用事件机制返回给程序。

NIO

定义
NIO（Non-blocking I/O ，在Java领域，也称为New I/O），是一种同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路复用的基础，已经被越来越多地应用到大型应用服务器，成为解决高并发与大量连接、I/O处理问题的有效方式。
概叙
NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel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(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道；
NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的；
IO的各种流是阻塞的，NIO的非阻塞模式；
优点
①通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
②Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
③Selector 多路复用器单线程模型，线程的资源开销相对比较小。

Netty

Netty 原理
Netty 是一个高性能、异步事件驱动的 NIO 框架，基于 JAVA NIO 提供的 API 实现。它提供了对
TCP、UDP 和文件传输的支持，作为一个异步 NIO 框架，Netty 的所有 IO 操作都是异步非阻塞
的，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 高性能
在 IO 编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者 IO 多路复用技术
进行处理。IO 多路复用技术通过把多个 IO 的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上，从而使得系统在
单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O 多路复用的
最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程
的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。与 Socket 类和 ServerSocket 类相对应，NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

二、基于TCP的C/S模式的聊天程序

IO实现

服务端：首先运行服务器，然后启动一个专门处理客户端消息的线程，然后监听是否有客户端连接，如果有人连接就单独为这个客户端开辟一个线程来处理。有多少人就开辟几个线程，并把客户端的消息放到消息集合里面，并把这些消息发送给出自己之外的其他所有人。
客户端：连接服务器后就会发送一条消息给服务器告诉服务器我已经连上来了，并开启一个线程专门接收服务器发送的信息。
首先创建Client和Server两个Java项目
Client代码

package com.company;

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;
import java.io.OutputStream;


public class Main {

    public static void main(String[] args) throws IOException{
        Socket s=new Socket("127.0.0.1", 50000);
        OutputStream os=s.getOutputStream();
        os.write("TCP/IO".getBytes());
        s.close();

    }
}

Server代码

package com.company;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
public class Main {

    public static void main(String[] args)throws IOException  {
        ServerSocket ss=new ServerSocket(50000);
        Socket s=ss.accept();
        InputStream is=s.getInputStream();
        byte[] bys=new byte[1024];
        int len=is.read(bys);
        String data=new String(bys,0,len);
        System.out.println(data);
        s.close();
        ss.close();
    }
}

运行结果

NIO实现

server代码

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class server {
    //网络通信IO操作，TCP协议，针对面向流的监听套接字的可选择通道（一般用于服务端）
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;

    /*
     *开启服务端
     */
    public void start(Integer port) throws Exception {
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        selector = Selector.open();
        //绑定监听端口
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        //设置为非阻塞模式
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //注册到Selector上
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        startListener();
    }
    private void startListener() throws Exception {
        while (true) {
            // 如果客户端有请求select的方法返回值将不为零
            if (selector.select(1000) == 0) {
                System.out.println("current not exists task");
                continue;
            }
            // 如果有事件集合中就存在对应通道的key
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            // 遍历所有的key找到其中事件类型为Accept的key
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                if (key.isAcceptable())
                    handleConnection();
                if (key.isReadable())
                    handleMsg(key);
                iterator.remove();
            }
        }
    }
    /**
     * 处理建立连接
     */
    private void handleConnection() throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
    }
    /*
     * 接收信息
     */
    private void handleMsg(SelectionKey key) throws Exception {
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer attachment = (ByteBuffer) key.attachment();
        channel.read(attachment);
        System.out.println("current msg: "   new String(attachment.array()));
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        server myServer = new server();
        myServer.start(8888);
    }
}

client代码

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class client {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        socketChannel.configureBlocking(false);

        // 连接服务器
        if (!socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888))) {
            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("connecting...");
            }
        }
        //发送数据
        String str = "TCP/NIO";
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(byteBuffer);
        System.in.read();
    }

}

运行结果

Netty的聊天程序

在点击File如下选择下载neety包
也可以离线安装下载地址
Server代码

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

import java.net.InetSocketAddress;

public class Server {

    private int port;

    public static void main(String[] args){
        new Server(18080).start();
    }

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() {
        /**
         * 创建两个EventLoopGroup，即两个线程池，boss线程池用于接收客户端的连接，
         * 一个线程监听一个端口，一般只会监听一个端口所以只需一个线程
         * work池用于处理网络连接数据读写或者后续的业务处理（可指定另外的线程处理业务，
         * work完成数据读写）
         */
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup work = new NioEventLoopGroup();
        try {
            /**
             * 实例化一个服务端启动类，
             * group（）指定线程组
             * channel（）指定用于接收客户端连接的类，对应java.nio.ServerSocketChannel
             * childHandler（）设置编码解码及处理连接的类
             */
            ServerBootstrap server = new ServerBootstrap()
                    .group(boss, work).channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldServerHandler());
                        }
                    });
            //绑定端口
            ChannelFuture future = server.bind().sync();
            System.out.println("server started and listen "   port);
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            boss.shutdownGracefully();
            work.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static class HelloWorldServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldServerHandler active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("server channelRead..");
            System.out.println(ctx.channel().remoteAddress() "->Server :"  msg.toString());
            ctx.write("server write" msg);
            ctx.flush();
        }
    }
}

Client 代码

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

public class Client {
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int PORT= 18080;

    public static void main(String[] args){
        new Client().start(HOST, PORT);
    }

    public void start(String host, int port) {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap client = new Bootstrap().group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline()
                                    .addLast("decoder", new StringDecoder())
                                    .addLast("encoder", new StringEncoder())
                                    .addLast(new HelloWorldClientHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture future = client.connect(host, port).sync();
            future.channel().writeAndFlush("Hello Netty Server ,I am a netty client");
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();

        }

    }

    public static class HelloWorldClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler Active");
        }

        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("HelloWorldClientHandler read Message:" msg);
        }
    }
}

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从IO到NIO再到Netty

一、IO、NIO与Netty

IO

NIO

Netty

二、基于TCP的C/S模式的聊天程序

IO实现

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Netty的聊天程序

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