netty(三) NIO编程

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。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用非常简单，但是性能和可靠性都不好，非阻塞模式正好相反。开发人员可以根据需要选择合适的模式。一般来说，低负载，低并发的应用程序可以选择同步阻塞I/O降低编程复杂度；对于高负载、高并发的应用，需要使用NIO的非阻塞模式进行开发。

NIO类库简介

新的输入/输出（NIO）库实在JDK1.4中引入的。NIO弥补了原来同步阻塞I/O的不足，它在标准Java代码中提供了高速的、面向块的I/O。通过定义包含数据的类，以及通过以块的形式处理这些数据，NIO不用使用本机代码就可以利用低级优化，这是原来的I/O包所无法做到的。下面我们对NIO的一些概念和功能做下简单介绍，以便大家能快速地了解NIO类库和相关概念。

1.缓冲区Buffer

我们首先介绍缓冲区（Buffer）的概念。Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或读到Stream对象中。

在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。

最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组。除了ByteBuffer，还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种java基本类型（除了BBoolean类型）都对应一种缓冲区，具体如下：

• ByteBuffer：字节缓冲区
• CharBuffer：字符缓冲区
• ShortBuffer：短整型缓冲区
• IntBuffer：整形缓冲区
• LongBuffer：长整型缓冲区
• FloadBuffer：浮点型缓冲区
• DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区

每个Buffer类都是Buffer接口的一个子实例。除了ByteBuffer，每一个Buffer类都有完全一样的操作，只是它们所处理的数据类型不一样。因为大多数标准I/O操作都使用ByteBuffer，所以它在具有一般缓冲区的操作之外还提供了一些特有的操作，以方便网络读写。

2.通道Channel

Channel是一个通道，它就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而通道可以用于读、写或者二者同时进行。

因为Channnel是双全工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中，底层操作系统的通道都是双全工的，同时支持读写操作。

Channel的类图继承关系如下所示。

自顶向上看，前三层主要是Channel接口，用于定义它的功能，后面是一些具体的功能类（抽象类）。从类图可以看出，实际上Channel可以分为两大类：用于网络读写的SelectbleChannel和用于文件操作的FileChannel。

本书涉及的ServerSocketChannel和SocketChannel都是SelectableChannel的子类，它们的具体用法将在后续的代码中体现。

3.多路复用器Selector

多路复用器Selector是JavaNIO编程的基础，熟练地掌握Selector对于NIO编程至关重要。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以读取就绪Channel集合，进行后续的I/O操作。

一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK使用了epoll（）代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048的限制。这也就意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端，这确实是个非常大的进步。

下面我们通过NIO编程的序列图和源码分析来熟悉相关概念，以便巩固前面所学的NIO基础知识。

NIO服务端序列图

下面我们对NIO服务端的主要创建过程进行讲解和说明，作为NIO的基础入门，这里忽略掉一些生产环境中部署所需要的特性和功能。

步骤一：打开ServerSocketChannel，用于监听客户端的连接，它是所有客户端连接的父管道，示例代码如下。

ServerSocketChannel acceptorSvr = ServerSocketChannel.open();

步骤二：绑定监听端口，设置连接为非阻塞模式，示例代码如下。

acceptorSvr.socket().bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getByName("IP"),port));

acceptorSvr.configureBlocking(false);

步骤三：创建Reactor线程，创建多路复用器并启动线程，示例代码如下。

Selector selector = Selector.open();

New Thread(new ReactorTask()).start();

步骤四，将ServerSocketChannel注册到Reactor线程的多路复用器Selector上，监听ACCEPT事件，示例代码如下。

SelectionKey key = acceptorSvr.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT,ioHandler);

步骤五：多路复用器在线程run方法的无限循环内轮询准备就绪的Key，示例代码如下。

int num = selector.select();

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

Iterator it = selectedKeys.iterator();

while(it.hasNext()){

    SelectionKey key = (SelectionKey)it.next();

    //...deal with I/O event...

}

步骤六：多路复用器监听到有新的客户端接入，处理新的接入请求，完成TCP三次握手，建立物理链路，示例代码如下。

SocketChannel channel = svrChannel.accept();

步骤七：设置客户端链路为非阻塞模式，示例代码如下。

channel.configureBlocking(false);

channel.socket().setReuseAddress(true);

步骤八：将新接入的客户端连接注册到Reactor线程的多路复用器上，监听读操作，读取客户端发送的网络消息，示例代码如下。

SelectionKey key = socketChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ,ioHandler);

步骤九：异步读取客户端请求消息到缓冲区，示例代码如下。

int readNumber = channel.read(receivedBuffer);

步骤十：对ByteBuffer进行编解码，如果有半包消息指针reset，继续读取后续的报文，将解码成功的消息封装成Task，投递到业务线程池中，进行业务逻辑编排，示例代码如下。

Object message = null;

while(buffer.hasRemain()){

      byteBuffer.mark();

      Object message = decode(byteBuffer);

      if(message == null){

          byteBuffer.reset();

          break;

      }

      messageList.add(message);

}

if(!byteBuffer.hasRemain())

      byteBuffer.clear();

else

      byteBuffer.compact();

if(messageList != null & !messageList.isEmpty()){

    for(Object messageE : messageList)

           handlerTask(messageE);

}

步骤十一：将POJO对象encode成ByteBuffer，调用SocketChannel的异步write接口，将消息异步发送给客户端，示例代码如下。

socketChannel.write(buffer);

注意：如果发送区TCP缓冲区满，会导致写半包，此时，需要注册监听写操作位，循环写，知道整包消息写入TCP缓冲区。对于这些内容此处暂不赘述，后续Netty源码分析章节会详细分析Netty的处理策略。

在了解创建NIO服务端的基本步骤后，下一篇博客我们将前面的时间服务器程序通过NIO重写一遍。