Netty（一）NIO-基础

Netty

分布式根基于网络编程，Netty恰是java网络编程的王者，致力于高性能编程。

前置

适用于网络开发，服务器开发。多线程，线程池，maven。

大纲

1. NIO编程（Selector，ByteBuffer和Channel）
2. Netty入门：EventLoop，Channel，Future，Pipeline，Handler，ByteBuf
3. Netty进阶：粘包半包，协议，序列化
4. Netty调优：参数优化
5. Netty源码

NIO基础

non-clocking io：非阻塞IO

1 三大组件

1.1 Channel&Buffer

Channel是读写数据的双向通道。常见通道的有File，Datagram，Socket，ServerSocket。
Buffer是用来缓冲读写数据的。常见的有Byte(Mapped,Direct,Heap)，Int，Float，Double，Char，

1.2 Selector

多线程版本：早期的服务器基于多线程实现。内存占用高，线程上下文切换成本高，只适合连接少的场景。
线程池版本：阻塞模式下，线程仅能处理一个socket连接，仅适合短链接场景。
selector版本：selector作用就是配合一个线程来管理多个channel，获取channel上发生的事件，这些channel工作在非阻塞下，不会让线程吊死在一个channel上适合连接多但流量低的场景。
调用selector的select()会阻塞直到channel发生了读写就绪事件，select方法会返回这些事件交给thread来处理。

2 ByteBuffer

1. 向buffer写入数据：channel.read(buffer);
2. 调用filp切换读模式
3. 从buffer读数据：buffer.get();
4. 调用clear或compact切换写模式
5. 重复1-4

2.1 ByteBuffer结构

Buffer/ByteBuffer/ByteBuf详解
ByteBuffer有以下重要属性：capacity容量，position读写指针，limit限制。
flip：position切换读取位置，limit切换为读取限制
compact：把未读完的部分向前压缩，然后切换写模式

2.2 ByteBuffer常见方法

分配空间：ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(16);（堆，低效，会GC）ByteBufferDirect(16); （直接内存，高效，不会GC，分配低效）
写入数据：
* 调用channel的read方法：channel.read();
* 调用buffer自己的put方法：buf.put();
读取数据：
* 调用channel的write方法：channel.write();
* 调用buffer自己的get方法：buf.get();
* 注：get方法会将position指针向后走，想重复读可调用rewind方法将position置0或get(i);
* 标记position：mark
* 回到标记位置：reset
字符串与ByteBuffer转换：
* 直转方法：buffer.put(“hello”.getBytes());
* Charset方法：ByteBuffer buf = StandardCharsets.UTF_8.encode(“hello”);
* wrap方法：ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(“hello”.getBytes());
* 回转String：StandardCharsets.UTF_8.decode(buf).toString();

2.3 组合练习

public class TestByteBufferExam {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 网络上多条数据发送客户端使用/n进行分割，但由于某种原因，被进行重新组合，例如
         * Hello,world\n
         * I'm aric\n
         * How are you?\n
         * 变成下面的两个 byteBuffer(粘包，半包)
         * Hello,world\nI'm aric\nHo
         * w are you?\n
         * 现要求将错乱的数据恢复按\n分割数据
         */
        ByteBuffer source = ByteBuffer.allocate(32);
        source.put("Hello,world\nI'm aric\nHo".getBytes());
        split(source);
        source.put("w are you?\n".getBytes());
        split(source);
    }

    private static void split(ByteBuffer source) {
        source.flip();
        for (int i = 0; i < source.limit(); i++) {
            if (source.get(i) == '\n') {  //找到一条完整消息
                int length = i + 1 - source.position();  //消息长度
                //把这条完整的消息存入新的ByteBuffer
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                //从source读，向target写
                for (int j = 0; j < length; j++) {
                    byte b = source.get();
                    target.put(b);
                }
                debugAll(target);
            }
        }
        source.compact();
    }
}
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3 文件编程

3.1 FileChannel

注：FileChannel只能工作在阻塞模式下。
获取
不能直接打开FIleChannel，必须通过FileInputStream，FileOutputStream或RandomAccessFile来获取FileChannel，他们都有getChannel();

• FileInputStream：此channel只能读
• FileOutputStream：此channel只能写
• RandomAccessFile：根据其读写模式决定

读取
会从channel读取数据填充ByteBuffer，返回值表示读到多少字节，-1表示达到了文件的末尾。

int readBytes = channel.read(buffer);

写入

ByteBuffer buffer = ...;
buffer.put();  //存入数据
buffer.filp();  //切换读模式
while(buffer.hasRemaining()){  //用while因为buffer无法保证一次读取channel中全部内容。
	channel.write(buffer);
}
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关闭
channel必须关闭。
位置
获取当前位置：long pos = hannel.position();
设置当前位置：channel.position(pos);
大小
size方法
强制写入
数据先会缓存，调用force(true)方法可将文件内容和元数据立刻写入磁盘。

3.2 两个Channel传输数据

        try (FileChannel from = new FileInputStream("data.txt").getChannel();
             FileChannel to = new FileOutputStream("to.txt").getChannel();
        ) {
            //transferTo底层采用零拷贝，效率高
            //from.transferTo(0, from.size(), to);  最大只能传输2G
            long size = from.size();
            for (long left = size; left > 0; ) {  //left 表示剩余多少字节
                left -= from.transferTo((size - left), left, to);
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
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3.3 Path

jdk7引入Path和Paths类，Path表示文件路径，Paths是工具类，用来获取path实例。

3.4 Files

检查文件是否存在
Path path = Paths.get(“data.txt”);
System.out.println(Files.ex);
拷贝文件
Files.copy(source, target);
移动文件
Files.move(source, target, StandardCopyOption.ATOMIC_MOVE);
删除文件
Files.delete(target);

3.5 遍历文件(访问者模式)

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        walkFile();  //遍历文件
        deleteFile();  //删除文件
        String source = "I:\\BaiduNetdiskDownload";
        String target = "I:\\BaiduNetdisk";
        copyFile(source, target);  //拷贝文件
    }
    private static void walkFile() throws IOException {
    	AtomicInteger dirCount = new AtomicInteger();
        AtomicInteger fileCount = new AtomicInteger();
        AtomicInteger jarCount = new AtomicInteger();
        Files.walkFileTree(Paths.get("I:\\BaiduNetdiskDownload"), new SimpleFileVisitor<Path>() {
            @Override
            public FileVisitResult preVisitDirectory(Path dir, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                System.out.println(">" + dir);
                dirCount.incrementAndGet();
                return super.preVisitDirectory(dir, attrs);
            }

            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                if (file.toString().endsWith(".jar")) {
                    System.out.println(file);
                    jarCount.incrementAndGet();
                }
                System.out.println(file);
                fileCount.incrementAndGet();
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
        });
        System.out.println(dirCount);
        System.out.println(fileCount);
        System.out.println(jarCount);
    }
    private static void deleteFile() throws IOException {
        Files.walkFileTree(Paths.get("I:\\BaiduNetdisk"), new SimpleFileVisitor<Path>(){
            @Override
            public FileVisitResult visitFile(Path file, BasicFileAttributes attrs) throws IOException {
                Files.delete(file);
                return super.visitFile(file, attrs);
            }
            @Override
            public FileVisitResult postVisitDirectory(Path dir, IOException exc) throws IOException {
                Files.delete(dir);
                return super.postVisitDirectory(dir, exc);
            }
        });
    }
    private static void copyFile(String source, String target) throws IOException {
        Files.walk(Paths.get(source)).forEach(path -> {
            try {
                String targetName = path.toString().replace(source, target);
                //是目录
                if (Files.isDirectory(path)) {
                    Files.createDirectories(Paths.get(targetName))
                }
                //是普通文件
                else if (Files.isRegularFile(path)) {
                    Files.copy(path, Paths.get(targetName));
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
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4 网络编程

4.1 阻塞&非阻塞

阻塞

• 阻塞模式下，相关方法都会导致线程暂停
  • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
  • SocketChannel.read 会在没有数据可读时让线程暂停
  • 没有数据和数据复制过程中，线程阻塞等待，不占CPU，空闲
• 单线程下，阻塞方法之间相互影响，几乎不能工作，需多线程支持
• 多线程下需考虑问题：
  • 32位jvm一个线程320K，64位jvm一个线程1024K，为减少线程数，需采用线程池技术。
  • 即使用线程池，多链接长时间inactive，会阻塞线程池中所有线程。

非阻塞

• 非阻塞下，相关方法都不会让线程暂停
  • 在 ServerSocketChannel.accept 在没有连接建立时，会返回 null，继续运行
  • SocketChannel.read 在没有数据可读时，会返回 0，但线程不必阻塞，可以去执行其它 SocketChannel 的 read 或是去执行ServerSocketChannel.accept
  • 写数据时，线程只是等待数据写入 Channel 即可，无需等 Channel 通过网络把数据发送出去
• 在某个channel没有可读事件时，线程不必阻塞，可去处理其他有可读事件的channel
• 数据复制过程中，线程实际还是阻塞的（AIO改进）

多路复用

线程必须配合Selector才能完成对多个Channel可读写事件的监控，即多路复用。

• 多路复用仅针对网络IO，普通文件IO没法利用多路复用。
• 如果不用Selector的非阻塞模式，那么Channel读取到的字节很多时候都是0，而Selector保证了有可读事件才读取。
  • 有可连接事件时才去连接
  • 有可读事件才去读取
  • 有可写事件才去写入
• Channel输入的数据一旦准备好，会触发Selector的可读事件
  

//nio 阻塞模式&非阻塞
	public static void main(String[] args) throws IOException {
        //消息缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        //创建服务器
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);  //非阻塞模式开启，没有建立连接时，sc返回null
        //绑定监听端口
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        ArrayList<SocketChannel> channels = new ArrayList<>();
        while (true) {
            //循环监听客户端连接  accept  socket用来与客户端通信
            SocketChannel sc = ssc.accept();  //阻塞方法：线程停止运行，没链接时阻塞
            if(sc != null){
            	sc.configureBlocking(false);  //将socketChannel设为非阻塞模式。如果没有读到数据，read返回0
            	channels.add(sc);
            }
            for (SocketChannel channel : channels) {
                channel.read(buffer);  //阻塞方法：线程停止运行，没有数据时阻塞
                buffer.flip();
                System.out.println(buffer);
                buffer.clear();
            }
        }
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4.2 Selector

• 一个线程配合 selector 就可以监控多个 channel 的事件，事件发生线程才去处理。避免非阻塞模式下所做无用功
• 让这个线程能够被充分利用
• 节约了线程的数量
• 减少了线程上下文切换

4.3 处理read事件

void selectorEdition() throws IOException {
        //1. 创建selector
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.configureBlocking(false);
        //2. 建立selector和channel的注册,sscKey是事件的句柄，是将来事件发生后，通过它可以知道事件和哪个channel的事件
        SelectionKey sscKey = ssc.register(selector, 0, null);
        //表示sscKey只关注accept事件
        sscKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT);
        ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
        while (true) {
            //3. select 方法，没有事件发生，线程阻塞，有事件，线程才会恢复运行
            //selector在事件未处理时，不会阻塞，事件发生后要么处理，要么取消，不能置之不理
            selector.select();
            //4. 处理事件,selectedKeys内部包含了所有发生的事件
            Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();  //selector发生事件后，selectedKeys集合只有加入，不会删除
            while (iter.hasNext()) {
                SelectionKey key = iter.next();
                //处理完key一定要移除调，不然下次处理时会报空指针异常
                iter.remove();
                //5. 区分事件类型
                if (key.isAcceptable()) {  //如果时accept
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                    SocketChannel sc = channel.accept();
                    //读取事件
                    sc.configureBlocking(false);
                    SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null);
                    scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                } else if (key.isReadable()) {
                    try {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        int read = channel.read(buffer);  //正常断开，read返回-1
                        if (read == -1) {
                            key.cancel();
                        } else {
                            buffer.flip();
                            System.out.println(buffer);
                            //split(buffer);  //使用分隔符方式接收消息
                        }
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                        //客户端出异常情况，需手动从selectedKeys集合取消key
                        key.cancel();
                    }
                }
            }
        }
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绑定Channel事件

channel 必须工作在非阻塞模式
FileChannel 没有非阻塞模式，因此不能配合 selector 一起使用
绑定的事件类型可以有

• connect - 客户端连接成功时触发
• accept - 服务器端成功接受连接时触发
• read - 数据可读入时触发，有因为接收能力弱，数据暂不能读入的情况
• write - 数据可写出时触发，有因为发送能力弱，数据暂不能写出的情况

监听Channel事件

可以通过下面三种方法来监听是否有事件发生，方法的返回值代表有多少 channel 发生了事件
方法1：阻塞直到绑定事件发生-selector.select();
方法2：阻塞直到绑定事件发生，或是超时（时间单位为 ms）-selector.select(long timeout);
方法3：不会阻塞，也就是不管有没有事件，立刻返回，自己根据返回值检查是否有事件-selector.selectNow();

select 何时不阻塞

事件发生时

• 客户端发起连接请求，会触发 accept 事件
• 客户端发送数据过来，客户端正常、异常关闭时，都会触发 read 事件，另外如果发送的数据大于 buffer 缓冲区，会触发多次读取事件
• channel 可写，会触发 write 事件
• 在 linux 下 nio bug 发生时
  调用 selector.wakeup()
  调用 selector.close()
  selector 所在线程 interrupt

事件发生后能否不处理

事件发生后，要么处理，要么取消（cancel），不能什么都不做，否则下次该事件仍会触发，这是因为 nio 底层使用的是水平触发

为何要 iter.remove()

因为 select 在事件发生后，就会将相关的 key 放入 selectedKeys 集合，但不会在处理完后从 selectedKeys 集合中移除，需要我们自己编码删除。例如

• 第一次触发了 ssckey 上的 accept 事件，没有移除 ssckey
• 第二次触发了 sckey 上的 read 事件，但这时 selectedKeys 中还有上次的 ssckey ，在处理时因为没有真正的 serverSocket 连上了，就会导致空指针异常

cancel 的作用

cancel 会取消注册在 selector 上的 channel，并从 keys 集合中删除 key 后续不会再监听事件。

处理消息的边界

• 一种思路是固定消息长度，数据包大小一样，服务器按预定长度读取，缺点是浪费带宽
• 另一种思路是按分隔符拆分，缺点是效率低
• TLV 格式，即 Type 类型、Length 长度、Value 数据，类型和长度已知的情况下，就可以方便获取消息大小，分配合适的 buffer，缺点是 buffer 需要提前分配，如果内容过大，则影响 server 吞吐量
  • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式
    
    所以ByteBuffer不能是局部变量，如果消息过长，会分两次读取，所以每个SocketChannel都需有自己独有的ByteBuffer。并做扩容优化

if (key.isAcceptable()) {  //如果时accept
	ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
	SocketChannel sc = channel.accept();
	//读取事件
	sc.configureBlocking(false);
	ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);  //attachment buffer和sc绑定
	SelectionKey scKey = sc.register(selector, 0, null, buffer);
	scKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
	try {
		SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
		ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment(); //从key中获取独有的ByteBuffer
		int read = channel.read(buffer);  //正常断开，read返回-1
		if (read == -1) {
			key.cancel();
		} else {
			//buffer.flip();
			//System.out.println(buffer);
			split(buffer);  //使用分隔符方式接收消息
			if(buffer.position() == buffer.limit()) {  //扩容
				ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity() * 2);
				buffer.flip();
				newBuffer.put(buffer);
				key.attach(newBuffer);  //替换原key中的ByteBuffer
			}
		}
	} catch (IOException e) {
		e.printStackTrace();
		//客户端出异常情况，需手动从selectedKeys集合取消key
		key.cancel();
	}
}
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• ByteBuffer大小分配

1. 每个channel都需要记录可能被切分的消息，因为ByteBuffer不是线程安全的，因此需要为每个channel维护一个独立的ByteBuffer
2. ByteBuffer不能太大，比如一个ByteBuffer 1Mb的话，要支持百万连接就要1Tb内存，因此需要设计大小可变的ByteBuffer

一种思想是首先分配一个较小的buffer，不够再扩容，优点是消息连续容易处理，缺点是数据拷贝耗性能。
另一种思想是用多个数组组成buffer，一个数组不够，把多出来的内容写入新的数组，区别是消息存储不连续，解析复杂，优点是避免拷贝

4.4处理write事件

• 非阻塞模式下，无法保证把 buffer 中所有数据都写入 channel，因此需要追踪 write 方法的返回值（代表实际写入字节数）
• 用 selector 监听所有 channel 的可写事件，每个 channel 都需要一个 key 来跟踪 buffer，但这样又会导致占用内存过多，就有两阶段策略
  • 当消息处理器第一次写入消息时，才将 channel 注册到 selector 上
  • selector 检查 channel 上的可写事件，如果所有的数据写完了，就取消 channel 的注册
  • 如果不取消，会每次可写均会触发 write 事件
    example：https://gitee.com/xuyu294636185/netty-demo.git

write 为何要取消

只要向 channel 发送数据时，socket 缓冲可写，这个事件会频繁触发，因此应当只在 socket 缓冲区写不下时再关注可写事件，数据写完之后再取消关注

4.5多线程版

• 单线程配一个选择器，专门处理 accept 事件
• 创建 cpu 核心数的线程，每个线程配一个选择器，轮流处理 read 事件
  代码：https://gitee.com/xuyu294636185/netty-demo.git

5. NIO&BIO

5.1 stream与channel

• stream不会自动缓存数据，channel会利用系统提供的发送缓冲区，接收缓存区
• stream仅支持阻塞API，channel同时支持阻塞，非阻塞API，网络channel可配合selector实现多路复用。
• 二者均为全双工，即读写可同时进行

5.2 IO模型

当调用一次channel.read或stream.read后，会切换至操作系统内核态完成真正的数据读取，而读取又分为：等待数据阶段、复制数据阶段。

阻塞IO：用户态调用内核态阻塞，等待内核态数据就绪复制完成后才能返回。期间用户和内核都阻塞
非阻塞IO：用户态调用内核态阻塞会立刻返回并循环直到有数据。用户态只有在等待数据时非阻塞，复制数据时还是阻塞。但是内核和用户切换很频繁。

多路复用：先调用select方法，用户态调用内核阻塞，有事件才返回用户态，用户态再读取内核态阻塞等待复制数据完后才返回。期间用户和内核都阻塞。

• 同步：线程自己去获取结果（单线程）【同步阻塞，同步非阻塞，同步多路复用】
• 异步：线程自己不去获取结果，而是由其他线程送结果（至少两个线程）【异步阻塞（不存在），异步非阻塞】
  

5.3 零拷贝

传统IO

传统IO：将文件先通过accessfile读入byte数组中，再通过socket输出流i写出客户端。

File f = new File("data.txt");
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile(file, "r");

byte[] buf = new byte[(int)f.length()];
file.read(buf);

Socket socket = ...;
socket.getOutputStream().write(buf);
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1. java本身不具备IO读写能力，read调用从用户态切换到内核态，操作kernel系统，将数据读到内核缓冲区，期间用户线程阻塞，系统使用DMA实现文件读，期间也不会使用CPU
2. 从内核态切回用户态，将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区，期间cpu参与拷贝，无法利用DMA
3. 调用write方法，将数据从用户缓冲区写入socket缓冲区，cpu参与拷贝
4. 接下来要向网卡写入数据，这项能力java又不具备，因此又得到从用户态切换至内核态，调用操作系统的写能力，使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu。
   可以看到中间环节较多，java的IO实际不是物理设备级别的读写，而是缓存的复制，底层的真正读写是操作系统来完成的。

• 用户态与内核态的切换发生了3次，这个操作比较重量级。
• 数据拷贝了4次。

NIO优化

通过DirectByteBuf

• ByteBuffer.allocate(10) HeapByteBuffer 使用的还是java内存
• ByteBuffer,allocateDirect(10) DirectByteBuffer 使用的是操作系统内存
  
  不同：java使用DurectByteBuf将堆外内存映射到jvm内存中来直接访问使用
• 这块内存不受jvm垃圾回收的影响，因此内存地址固定，有助于IO读写
• java中的DirectByteBuf对象仅维护了此内存的虚引用，内存回收分成两步
  1. DirectByteBuf对象被垃圾回收，将虚引用加入引用队列
  2. 通过专门线程访问引用队列，根据虚引用释放堆外内存
• 减少一次数据拷贝，用户态与内核态的切换次数没有减少

linux2.1进一步优化

底层词用linux提供的sendFile方法，java中对应两个channel调用transferTo/transferFrom方法拷贝数据。

1. java调用transferTo方法，从java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用cpu。
2. 将数据从内核缓冲区传输到socket缓冲区，cpu会参与拷贝
3. 最后使用DMA将socket缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu

• 只发生了一次用户和内核的切换
• 数据拷贝了三次

linux2.4进一步优化

1. java调用transferTo方法后，要从java程序的用户态切换至内核态，使用DMA将数据读入内核缓冲区，不会使用cpu
2. 只会将一些offset和length信息拷入socket缓冲区，几乎无消耗
3. 使用DMA将内核缓冲区的数据写入网卡，不会使用cpu

• 只发生一次用户和内核切换
• 数据拷贝2次。所谓零拷贝并不是无拷贝，而是在不会拷贝重复数据到jvm内存中，优点：
  1. 更少用户-内核切换
  2. 不利用cpu计算，减少cpu缓存伪共享
  3. 零拷贝适合小文件传输

5.4 AIO

AIO用来解决数据复制阶段的阻塞问题。

• 同步：读写中线程等待，闲置
• 异步：读写中线程不等待，可由系统通过回调方式由其他线程获取结果

异步模型需底层系统kernel支持

• Windows通过IOCP实现真正的异步IO
• Linux系统异步IO在2.6版本中引入，但其底层还是多路复用模拟异步IO，性能没优势

文件IO

网络IO