IO 模型-轻识

在学习 Netty 框架前有一个话题是无法绕过的，就是：网络编程 IO 模型，听见 IO 模型有些同学就开始背八股文了，Java 常见 IO 模型有：

同步阻塞 BIO
同步非阻塞 NIO
异步非阻塞 AIO

今天跟大家一起重温下这些知识点。

Socket 网络编程

网络编程中有一个重要的概念就是：Socket，我们简单了解一下。

在网络通信中，客户端和服务端通过一个双向的通信连接实现数据的交换，连接的任意一端都可称为一个 Socket。

Talk is cheap， show me the diagram，Socket 网络通信基本过程如下图所示：

总结一下流程，可以简单描述为这四步：

（1）服务端启动，监听指定端口，等待客户端连接；
（2）客户端尝试与服务端连接，建立可信数据传输通道；
（3）客户端与服务端进行数据交换；
（4）客户端或者服务端断开连接，终止通信；

了解了基本流程，有些小伙伴可能对 Socket 这玩意很感兴趣了，Socket 到底是什么东西呢？Socket 中文翻译过来就是套接字，是网络通信对象的抽象表达，听起来还是很模糊，从编码者视角来看，本质上就是一套编程接口，是对复杂的 TCP/IP 协议进行封装供上层应用使用，这样总明白了吧。

那 Socket 对象一般包括什么东西呢？一般包括五种信息：连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远端主机的IP地址、远端进程的协议端口。从这里可以看到 Socket 包含的信息非常丰富，也就是说拿到一个 Socket 对象就相当于知己知彼了。

传统 BIO 模式

上面小节从理论角度讲解了什么是Socket，现在我们回到开发语言实现层面上来，以 Java 为例，Java 语言从 1.0 版本就已经封装了 Socket 相关的接口供开发者使用，对这部分代码感兴趣的小伙伴可以出门向左拐，在java.net 包下面查看源码。

我们尝试用一个 demo 来演示一下传统的网络编程：

服务端代码：

public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建一个ServerSocket，监听端口8888
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
        
        // 循环方式监听客户端的请求
        while (true) {
            // 这里一直会阻塞，直到客户端连接上
            Socket socket = ss.accept();

            // 输入流用于接收消息
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);
            
            // 输出流用于回复消息
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            final PrintStream printStream = new PrintStream(outputStream);

            // 循环接收并回复客户端发送的消息
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = bufferedInputStream.read(bytes)) != -1) {
                printStream.print("服务端收到：" + new String(bytes, 0, len));
            }
        }
    }

效果演示：

服务端运行起来后，使用 telnet 命令来模拟客户端发送消息:

telnet 127.0.0.1 8888

客户端每发送一条消息，服务端都会回复，演示效果如下：

仔细想一下，上面的代码可能会有问题，如果前面一个客户端一直不断开，服务端就不能处理其他客户端的消息了，也就是说程序不具备并发的能力。

我们稍加改造一下，将前面的处理逻辑代码全部抽取到一个新的handle()方法，每当有客户端连接上就新开一个线程处理：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 创建一个ServerSocket，监听端口8888
    ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);

    // 循环方式监听客户端的请求
    while (true) {
        // 这里一直会阻塞，直到客户端连接上
        Socket socket = ss.accept();
        // 启动一个新的线程处理
        new Thread(() -> handle(socket)).start();
    }
}

这里为了演示方便直接新起了一个线程，当然更好的办法是用线程池，但是也解决不了根本性问题。

看了两段代码，先简单总结一下 BIO 模式的劣势：

如果 BIO 使用单线程接收连接，则会阻塞其他连接，效率较低。
如果使用多线程，虽然减弱了单线程带来的影响，但当有大并发进来时，会导致服务器线程太多，压力太大而崩溃。
就算使用线程池，也只能同时允许有限个数的线程进行连接，如果并发量远大于线程池设置的数量，还是与单线程无异。
IO 代码里 read 操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，就是说只占用连接，不发送数据，则会浪费资源。比如线程池中 500个连接，只有 100 个是频繁读写的连接，其他占着茅坑不拉屎，浪费资源！
另外多线程也会有线程切换带来的消耗。

综上所述，BIO 模式不能满足大并发业务场景，仅适用于连接数目比较小且固定的架构。

同步阻塞 BIO 模式

根据上面的例子我们再画图抽象一下 BIO 网络编程场景：

传统 BIO 的特点是只要来了一个新客户端连接，服务端就会开辟一个线程处理客户端请求，但是客户端连接后并不是一直都对服务端进行 IO 操作，这样会导致服务端阻塞，一直占用着线程资源，造成很多非要的开销。

为了解决这个问题，Java 引入了 NIO，我们接着往下看。

NIO

在 Java 1.4 版本之前 BIO 是开发者唯一的选择，1.4 版本开始引入了 NIO 框架。

NIO 的 N 有两层含义，一层是：New IO，另一层是 Non Blocking IO。

「New」是相对于传统 BIO 来说的，在当时确实挺新的；Non Blocking IO 又被称为：同步非阻塞 IO，同步非阻塞体现在：

同步：调用的结果会在本次调用后返回，不存在异步线程回调之类的。
非阻塞：表现为线程不会一直在等待，把连接加入集合后，线程会一直轮询集合中的连接，有则处理，无则继续接受请求。

NIO 三大基础组件

学习 NIO必须得知道下面这三个基础组件：

（1）Buffer(缓冲区)

IO 是面向流（字节流或者字符流）的，而 NIO 是面向块的，块指的是 Buffer 缓冲区。面向块的方式一次性可以获取或者写入一整块数据，而不需要一个字节一个字节的从流中读取，这样处理数据的速度会比流方式更快。

Buffer 缓冲区的底层实现是数组，根据数组类型可以细分为：ByteBuffe、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer等。

（2）Channel(通道)

Channel 翻译成中文是通道的意思，作用类似于 IO 中的 Stream 流。但是 Channel 和 Stream 不同之处在于 Channel 是双向的，Stream 只是在一个方向移动，而且 Channel 可以用于读、写或者同时用于读写。

常见 Channel 通道类型：

FileChannel 用于文件操作场景；
ServerSocketChannel 和 SocketChannel 主要用于 TCP 网络通信 IO，这是本文的重点；
DatagramChannel: 从 UDP 网络中读取或者写入数据。

Channel 与 Buffer 之间的关系：

每个 Channel 对应一个 Buffer 缓冲区，永远无法将数据直接写入到Channel或者从Channel中读取数据。需要通过Buffer与Channel交互。

（3）Selector(多路复用器)

NIO 服务端的实现模式是把多个连接(请求)放入集合中，只用一个线程可以处理多个请求(连接)，也就是多路复用，Linux 环境下多路复用底层主要用的是内核函数（select，poll）来实现的，为了提升效率，Java 1.5 版本开始使用 epoll。

关于 select、poll、epoll 之间的对比，感兴趣的小伙伴可以自行上网查询。

在 NIO 中多路复用器我们称之为：Selector，Channel 会注册到 Selector 上，由 Selector 根据 Channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理。

Buffer、Channel、Selector 这三个组件的之间的关系可以用下面的图来描述：

基本的工作流程如下：

（1）首先将 Channel 注册到 Selector 中；

（2）初始化 Selector，调用 select() 方法，select 方法会阻塞直到感兴趣的事件来临；

（3）当某个 Channel 有连接或者读写事件时，该 Channel 就会处于就绪状态；

（4）Selector 开始轮询所有处于就绪状态的SelectionKey，通过 SelectionKey 可以获取对应的Channel 集合；

NIO 比 BIO 好用在哪？

NIO 相对于 BIO 最大的改进就是使用了多路复用技术，用少量线程处理大量客户端 IO 请求，提高了并发量并减少了资源消耗；

另外NIO 的操作时非阻塞的，比如说，单线程中从通道读取数据到buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到buffer中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。

NIO 存在的问题

NIO这么牛了，是不是就是终极解决方案了？其实也不是，NIO 也存在很多问题。

我们来看看 NIO 有哪些问题？

（1）NIO 的 API 使用起来非常麻烦，门槛比较高，开发者需要熟练掌握：Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等类。

（2）NIO 编程涉及到 Reactor 模式，开发者需要对多线程和网络编程非常熟悉才能写出高质量的 NIO 程序；

（3）异常场景处理麻烦，比如：客户端断连重连、网络闪断、拆包粘包、网络拥塞等等；

（4）NIO 有 bug，不稳定，比如：臭名昭著的 Epoll bug，会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。

NIO 问题这么多，有些开发者终于不能忍了，最终 Netty 框架横空出世。

Netty 框架到底解决了什么问题，有哪些优秀的特性，我们下期接着聊。