Netty的介绍及应用场景
Netty的介绍
1) Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架,现为Github上的独立项目
2) 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、高可靠的网络IO程序
3) Netty主要针对在TCP协议下,面向Client端端高并发应用,或者Peer-to-Peer场景下的大量数据持续传输的应用。
4) 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
Netty框架体系示意图:
Netty的应用场景
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- 互联网行业
- 互联网行业:在分布式系统中,各个节点之间需要远程服务调用,高性能的RPC框架必不可少,Netty作为异步高性能的通信框架,往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用。
- 典型的应用有:阿里分布式服务框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo协议进行节点间通信,Dubbo协议默认使用Netty作为基础通信组件,用于实现各进程节点之间的内部通信
- 示意图:
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- 游戏行业
- 无论是手游服务端还是大型的网络游戏,Java语言得到了越来越广泛的应用
- Netty作为高性能的基础通信组件,提供了TCP/UDP和HTTP协议栈,方便定制和开发私有协议栈,账号登录服务器
- 地图服务器之间可以方便的通过Netty进行高性能的通信
- 示意图:
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- 大数据领域
- 经典的 Hadoop的高性能通信和序列化组件(AVRO 实现数据文件共享)的RPC框架,默认采用Netty进行跨界点通信
- 它的Netty Service基于Netty框架二次封装实现。
- 示意图:
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- Netty的学习参考资料
书籍:
I/O模型
I/O模型基本说明
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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I/O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 示意图: -
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(selector -> 选择器)上,多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理 示意图: -
JAVA AIO(NIO.2):异步非阻塞,AIO引入异步通道的概念,采用了Proactor(前摄器)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
BIO、NIO、AIO适用场景分析
- BIO方式适用于连接数且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方式适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,JDK1.7开始支持。
Java BIO
Java BIO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方式适用于连接数且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。
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- Java BIO 工作机制
工作原理图: BIO编程简单流程
- 服务器端启动一个ServerSocket
- 客户端启动Socket对服务器端需要对每个客户建立一个线程与其通讯
- 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,再继续执行
Java BIO应用实例
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- 使用BIO模型编写一个服务器端,监听8888端口,当有客户端连接时,就启动一个线程与之通讯。
- 要求使用线程池机制改善,可以连接多个客户端.
- 服务器端可以接收客户端发送的数据(telnet方式连接)。
- Mac安装 teInet
使用 brew 命令安装 telnet brew install telnet 查看正在运行的端口 netstat -AaLlnW 连接服务器某端口,命令格式如:telnet ip port / telnet 127.0.0.1 8888 退出ctrl + ],然后输入quit
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package com.netty;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class BIOServer {
public static void main(String[] args) throws Exception{
ExecutorService newCachedThreadPool = Executors.newCachedThreadPool();
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
System.out.println("ServerSocket服务器启动了");
while (true) {
System.out.println("====== 连接请求进入 ======");
final Socket socket = serverSocket.accept();
System.out.println("连接到一个客户端");
newCachedThreadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
handler(socket);
}
});
}
}
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];
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
while (true) {
System.out.println("线程信息 id=" + Thread.currentThread().getId() +
"名字=" + Thread.currentThread().getName());
int read = inputStream.read(bytes);
if(read != -1) {
System.out.println(new String(bytes,0,read));
} 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();
}
}
}
}
测试结果:
Java BIO 问题分析
- 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.
- 当并发数据较大时,需要创建大量线程来处理连接,系统资源占用较大。
- 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
Java NIO
Java 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。
- NIO有三大核心部分:Channel(通道),Buffer(缓存区),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它的事情,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
- 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。
NIO的Buffer基本使用
package com.netty.nio;
import java.nio.IntBuffer;
public class BasicBuffer {
public static void main(String[] args) {
IntBuffer intBuffer = IntBuffer.allocate(5);
for (int i = 0; i < intBuffer.capacity(); i++) {
intBuffer.put(i * 2);
}
intBuffer.flip();
while (intBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(intBuffer.get());
}
}
}
运行:
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- NIO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
NIO三大核心组件关系
三大核心原理示意图:
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- Selector、Channel和Buffer的关系图的说明:
- 每个channel都对应一个Buffer
- Selector对对应一个线程,一个线程对应多个channel(连接)
- 该图反应了有三个channel注册到该selector(选择器) //程序
- 程序切换到哪个channel是由事件决定的,Event就是一个重要的概念
- Selector 会根据不同的事件,在各个通道上切换
- Buffer就是一个内存块,底层是有一个数组
- 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Buffe是可以读也可以写,需要flip方法切换
- channel是双向的,可以返回底层操作系统情况,比如Linux,底层的操作系统通道就是双向的
Buffer的机制及子类
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- 缓冲区
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必须由Buffer。 如图: -
- Buffer类及其子类
- 在NIO中,Buffer是一个顶层父类,它是一个抽象类。
常用Buffer子类如下:
- ByteBuffer:存储字节数据到缓冲区
- ShortBuffer:存储字符串数据到缓冲区
- CharBuffer:存储字符数据到缓冲区
- IntBuffer:存储整数数据到缓冲区
- LongBuffer: 存储长整型数据到缓冲区
- DoubleBuffer:存储小数到缓冲区
- FloatBuffer:存储小数到缓冲区
- Buffer类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息;
- Buffer类相关方法
- 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,最常用的是ByteBuffer类(二进制数据),该类的主要方法如下:
Channel
通道(Channel)的基本介绍
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- 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
- 通道可以从缓冲区读数据,也可以写数据到缓冲
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- 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。
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- Channel在NIO中是一个接口public interface Channel extends Closeable{}
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- 常用读Channel类有:FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel和SocketChannel.
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- 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
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- FileChannel主要用来对本地文件进行IO操作,常见的方法有
- public int read(ByteBuffer dst),从通道读取数据并放在缓冲区中
- public int write(ByteBuffer src),把缓冲区的数据写入通道中
- public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count),从目标通道中复制数据到当前通道
- public long transferTo(long position, long count,WritableByteChannel target),把数据从当前通道复制给目标通道
通道(Channel)的应用实例
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- 应用实例1- 本地文件写数据,实例要求:
- 使用ByteBuffer(缓冲)和FileChannel(通道),将“hello word!”写入到file01.txt中
- 文件不存在就创建
package com.netty.nio;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.Buffer;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class NIOFileChannel01 {
public static void main(String[] args) throws Exception{
String str = "hello word!";
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/Users/shengwencheng/Desktop/netty/file01.txt");
FileChannel fileChannel = fileOutputStream.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
byteBuffer.put(str.getBytes());
byteBuffer.flip();
fileChannel.write(byteBuffer);
fileOutputStream.close();
}
}
测试结果:
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- 应用实例2-本地文件读数据,实例要求:
- 使用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
- 假定文件已经存在
package com.netty.nio;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class NIOFileChannel02 {
public static void main(String[] args) throws Exception{
File file = new File("/Users/shengwencheng/Desktop/netty/file01.txt");
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream(file);
FileChannel fileChannel = fileInputStream.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) file.length());
fileChannel.read(byteBuffer);
System.out.println(new String(byteBuffer.array()));
fileInputStream.close();
}
}
测试结果:
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- 应用案例3 - 使用一个Buffer完成文件读取,实例要求:
- 使用FileChannel(通道)和方法 read,write,完成文件的拷贝
- 拷贝一个文本文件 1.txt,放在项目下
package com.netty.nio;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class NIOFileChannel03 {
public static void main(String[] args) throws Exception{
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("1.txt");
FileChannel fileChannel01 = fileInputStream.getChannel();
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("2.txt");
FileChannel fileChannel02 = fileOutputStream.getChannel();
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
while (true) {
byteBuffer.clear();
int read = fileChannel01.read(byteBuffer);
if(read == -1) {
break;
}
byteBuffer.flip();
fileChannel02.write(byteBuffer);
}
fileInputStream.close();
fileOutputStream.close();
}
}
测试结果:
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- 应用实例4 - 拷贝文件 transerFrom方法,实例要求
- 使用FileChannel(通道)和方法transferForm,完成文件的拷贝
- 拷贝一张图片
package com.netty.nio;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;
public class NIOFileChannel04 {
public static void main(String[] args) throws Exception{
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("/Users/shengwencheng/Desktop/netty/img/依赖.jpg");
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("/Users/shengwencheng/Desktop/netty/img/依赖1.jpg");
FileChannel sourceCh = fileInputStream.getChannel();
FileChannel destCh = fileOutputStream.getChannel();
destCh.transferFrom(sourceCh,0,sourceCh.size());
sourceCh.close();
destCh.close();
fileInputStream.close();
fileOutputStream.close();
}
}
测试结果:
关于Buffer 和 Channel的注意事项和细节
- ByteBuffer 支持类型化的put 和get,put放入的是什么数据类型,get就应该使用相对应的数据类型取出,否则可能有BufferUnderflowException 异常.
相关实例:
package com.netty.nio;
import java.nio.ByteBuffer;
public class NIOByteBufferPutGet {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);
buffer.putInt(100);
buffer.putLong(9);
buffer.putChar('我');
buffer.putShort((short) 4);
buffer.flip();
System.out.println();
System.out.println(buffer.getInt());
System.out.println(buffer.getLong());
System.out.println(buffer.getChar());
System.out.println(buffer.getShort());
}
}
- 可以将一个普通Buffer 转成只读Buffer.
相关实例:
package com.netty.nio;
import java.nio.ByteBuffer;
public class ReadOnlyBuffer {
public static void main(String[] args) {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(64);
for (int i = 0; i < 64; i++) {
buffer.put((byte) i);
}
buffer.flip();
ByteBuffer readOnlyBuffer = buffer.asReadOnlyBuffer();
System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());
while (readOnlyBuffer.hasRemaining()) {
System.out.println(readOnlyBuffer.getClass());
}
buffer.put((byte) 100);
}
}
- 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(性能比较高),而如何同步到文件由NIO来完成.
相关实例:
package com.netty.nio;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.util.RandomAccess;
public class MappedByteBufferTest {
public static void main(String[] args) throws Exception{
RandomAccessFile randomAccessFile = new RandomAccessFile("1.txt", "rw");
FileChannel channel = randomAccessFile.getChannel();
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 5);
mappedByteBuffer.put(0,(byte) 'H');
mappedByteBuffer.put(3,(byte) '9');
randomAccessFile.close();
System.out.println("修改成功~~");
}
}
- 前面总结的读写操作,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(分散)和Gatering(聚合)
相关实例:
package com.netty.nio;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Arrays;
public class ScatteringAndGatheringTest {
public static void main(String[] args) {
try {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress(7001);
serverSocketChannel.socket().bind(inetSocketAddress);
ByteBuffer[] byteBuffers = new ByteBuffer[2];
byteBuffers[0] = ByteBuffer.allocate(5);
byteBuffers[1] = ByteBuffer.allocate(5);
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
int messageLength = 8;
while (true) {
int byteRead = 0;
while (byteRead < messageLength) {
long l = socketChannel.read(byteBuffers);
byteRead += l;
System.out.println("byteRead=" + byteRead);
Arrays.asList(byteBuffers).stream().map(buffer -> "postion=" +
buffer.position() + ",limit=" + buffer.limit()).forEach(System.out :: println);
Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.flip());
long byteWrite = 0;
while (byteWrite < messageLength) {
socketChannel.write(byteBuffers);
byteWrite += 1;
}
Arrays.asList(byteBuffers).forEach(buffer -> buffer.clear());
System.out.println("byteRead=" + byteRead + ",byteWrite" + byteWrite + ",messageLength" + messageLength);
}
}
}catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
测试结果:
好处:这种场景在一个buffer不够用的情况下,可以转成一个数组,提高效率
Selector
Selector的基本介绍及特点说明
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- 基本介绍
- Java的NIO,用非阻塞的IO方式。可以用一个线程,处理多个客户端连接,就会使用到Selector(选择器)
- Selector 能够检测多个注册的通道上是否事件发生(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。
- 只有在连接(Channel)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
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- Selector特点说明
- 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。
- 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,该线程可以进行其它任务。
- 线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作,所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
- 由于读写操作都是非阻塞的,就这可以充分提升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。
- 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。
示例图:
SelectionKey
SocketChannel Api
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