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Java网络编程进化史：从IO到NIO再到Netty

毅会 2022-01-06 阅读 38
java

Java网络编程进化史：从IO到NIO再到Netty

一、相关介绍

（一）同步阻塞模式（Blocking IO）

1.传统的阻塞式通信流程
早期的 Java 网络相关的 API(java.net包) 使用 Socket(套接字)进行网络通信，不过只支持阻塞函数使用。
要通过互联网进行通信，至少需要一对套接字：

  1. 运行于服务器端的 Server Socket。
  2. 运行于客户机端的 Client Socket。

2.Socket 网络通信过程
简单来说分为下面 4 步：

  1. 建立服务端并且监听客户端请求；
  2. 客户端请求，服务端和客户端建立连接；
  3. 两端之间可以传递数据；
  4. 关闭资源。

服务器端：

  1. 创建ServerSocket对象并且绑定地址（ip）和端口号(port)：server.bind(new InetSocketAddress(host, port))；
  2. 通过 accept()方法监听客户端请求；
  3. 连接建立后，通过输入流读取客户端发送的请求信息；
  4. 关闭相关资源

客户端：

  1. 创建Socket对象并且连接指定的服务器的地址（ip）和端口号(port)：socket.connect(inetSocketAddress)；
  2. 连接建立后，通过输出流向服务器端发送请求信息；
  3. 通过输入流获取服务器响应的信息；
  4. 关闭相关资源

3.同步阻塞模型（BIO）
同步阻塞IO模型是最简单的IO模型，用户线程在内核进行IO操作时如果数据没有准备好会被阻塞。Java中的阻塞模式BIO，就是在java.net包中的Socket套接字的实现，Socket套接字是TCP/UDP等传输层协议的实现。

BIO特点：

  1. 一个线程负责连接，多线程则为每一个接入开启一个线程；
  2. 一个请求一个应答；
  3. 请求之后应答之前客户端会一直等待（阻塞）。

（二）同步非阻塞的模型（Non-Blocking IO）

NIO的特性
NIO 提供了与传统 BIO 模型中的 Socket和 ServerSocket 相对应的SocketChannel 和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现,两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式：

  • 阻塞模式 : 基本不会被使用到。使用起来就像传统的网络编程一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好。对于低负载、低并发的应用程序，勉强可以用一下以提升开发速率和更好的维护性;
  • 非阻塞模式 ： 与阻塞模式正好相反，非阻塞模式对于高负载、高并发的（网络）应用来说非常友好，但是编程麻烦，这个是大部分人诟病的地方。所以， 也就导致了 Netty 的诞生。

（三）Netty

Netty的简介

  1. Netty 是一个基于 NIO 的 client-server(客户端服务器)框架，使用它可以快速简单地开发网络应用程序。
    它极大地简化并简化了 TCP 和 UDP 套接字服务器等网络编程,并且性能以及安全性等很多方面甚至都要更好。
  2. 支持多种协议如 FTP，SMTP，HTTP 以及各种二进制和基于文本的传统协议。
  3. 用官方的总结就是：Netty 成功地找到了一种在不妥协可维护性和性能的情况下实现易于开发，性能，稳定性和灵活性的方法。

Netty的特点

  • 统一的 API，支持多种传输类型，阻塞和非阻塞的；
  • 简单而强大的线程模型；
  • 自带编解码器解决 TCP 粘包/拆包问题；
  • 自带各种协议栈；
  • 真正的无连接数据包套接字支持；
  • 比直接使用 Java 核心 API 有更高的吞吐量、更低的延迟、更低的资源消耗和更少的内存复制；
  • 安全性不错，有完整的 SSL/TLS 以及 StartTLS 支持；
  • 社区活跃；
  • 成熟稳定，经历了大型项目的使用和考验，而且很多开源项目都使用到了 Netty 比如我们经常接触的Dubbo、RocketMQ 等等。

Netty的作用

  1. 作为 RPC 框架的网络通信工具；
  2. 实现一个自己的 HTTP 服务器；
  3. 实现一个即时通讯系统；
  4. 消息推送系统。

二、IO实例

1.新建服务器端
请添加图片描述
请添加图片描述
新建Java类为server

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

public class server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建客户端的Socket对象(SevereSocket)
        //ServerSocket (int port)创建绑定到指定端口的服务器套接字
        ServerSocket ss=new ServerSocket(50000);

        //Socket accept()侦听要连接到此套接字并接受他
        Socket s=ss.accept();

        //获取输入流，读数据，并把数据显示在控制台
        InputStream is=s.getInputStream();
        byte[] bys=new byte[1024];
        int len=is.read(bys);
        String data=new String(bys,0,len);
        System.out.println("数据是："+data);

        //释放资源
        s.close();
        ss.close();
    }
}

如下所示
请添加图片描述
2.新建客户端
步骤同上，新建项目名称改为IOclient，类名改为client
如下所示
请添加图片描述
编译并同时运行服务端和客户端
结果如下
请添加图片描述

三、NIO实例

服务器端
名称改为NIOserver，代码如下

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 NIOserver {
    //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 {
        NIOserver myServer = new NIOserver();
        myServer.start(8888);
    }
}

如下所示
请添加图片描述
客户端
名称改为NIO，代码如下

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

public class NIOclient {
    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 = "hello netty";
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        socketChannel.write(byteBuffer);
        System.in.read();
    }
}

如下所示
请添加图片描述
编译并同时运行
请添加图片描述

四、Netty实例

服务器端
改名为Nettyserver
导入Netty框架依赖
请添加图片描述
请添加图片描述
输入io.netty:netty-all进行搜索
请添加图片描述
请添加图片描述
请添加图片描述
代码如下：

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 Nettyserver {

    private int port;

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

    public Nettyserver(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();
        }
    }
}

如下所示
请添加图片描述

服务端
改名为Nettyclient，导包步骤相同
代码如下

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 Nettyclient {
    private static final String HOST = "localhost";
    private static final int PORT= 18080;

    public static void main(String[] args){
        new Nettyclient().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);
        }
    }
}

如下所示
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参考

从 BIO、NIO 聊到 Netty，最后还要实现个 RPC 框架！
基于IO、NIO、Netty的TCP聊天程序

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