太牛了,从 IO 聊到 Netty,最后实现一个完整的即时聊天软件!

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在开始了解Netty是什么之前,我们先来回顾一下,如果需要实现一个客户端与服务端通信的程序,使用传统的IO编程,应该如何来实现?(文末抽奖送6本Netty好书给大家学习用)

IO编程

我们简化一下场景:客户端每隔两秒发送一个带有时间戳的“hello world”给服务端,服务端收到之后打印它。

在传统的IO模型中,每个连接创建成功之后都需要由一个线程来维护,每个线程都包含一个while死循环,那么1万个连接对应1万个线程,继而有1万个while死循环,这就带来如下几个问题。

  • 线程资源受限: 线程是操作系统中非常宝贵的资源,同一时刻有大量的线程处于阻塞状态,是非常严重的资源浪费,操作系统耗不起。

  • 线程切换效率低下: 单机CPU核数固定,线程爆炸之后操作系统频繁进行线程切换,应用性能急剧下降。

除了以上两个问题,在IO编程中,我们看到数据读写是以字节流为单位的。

为了解决这3个问题,JDK在1.4版本之后提出了NIO。

NIO编程

在NIO编程模型中,新来一个连接不再创建一个新线程,而是可以把这个连接直接绑定到某个固定的线程,然后这个连接所有的读写都由这个线程来负责,那么它是怎么做到的?我们用下图来对比一下IO与NIO。

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如上图所示,在IO模型中,一个连接来了,会创建一个线程,对应一个while死循环,死循环的目的就是不断监测这个连接上是否有数据可以读。在大多数情况下,1万个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读,因此,很多while死循环都白白浪费掉了,因为读不出数据。

而在NIO模型中,这么多while死循环转换为一个死循环,这个死循环由一个线程控制,那么NIO又是如何做到一个线程一个while死循环就能监测1万个连接是否有数据可读的呢?

这就是NIO模型中Selector的作用,一个连接来了之后,不会创建一个while死循环去监听是否有数据可读,而是直接把这条连接注册到Selector上。然后,通过检查这个Selector,就可以批量监测出有数据可读的连接,进而读取数据。下面我们举一个生活中非常简单的例子来说明IO与NIO的区别。

在一家幼儿园里,小朋友有上厕所的需求,小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所,他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友,有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题。

  1. 每个小朋友都配一个老师。每个老师都隔段时间询问小朋友是否要上厕所。如果要上,就领他去厕所,100个小朋友就需要100个老师来询问,并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去,这就是IO模型,一个连接对应一个线程。

  2. 所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所,然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所,这就是NIO模型。所有小朋友都注册到同一个老师,对应的就是所有的连接都注册到同一个线程,然后批量轮询。

这就是NIO模型解决线程资源受限问题的方案。在实际开发过程中,我们会开多个线程,每个线程都管理着一批连接,相对于IO模型中一个线程管理一个连接,消耗的线程资源大幅减少。

由于NIO模型中线程数量大大降低,因此线程切换效率也大幅度提高。

IO读写是面向流的,一次性只能从流中读取一字节或者多字节,并且读完之后流无法再读取,需要自己缓存数据。而NIO的读写是面向Buffer的,可以随意读取里面任何字节数据,不需要自己缓存数据,只需要移动读写指针即可。

简单讲完了JDK NIO的解决方案之后,接下来我们使用NIO方案替换掉IO方案。先来看看,如果用JDK原生的NIO来实现服务端,该怎么做。

前方高能预警:以下代码可能会让你感觉极度不适,如有不适,请跳过。

NIOServer.java

/**
 * @author 闪电侠
 */

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector serverSelector = Selector.open();
        Selector clientSelector = Selector.open();

        new Thread(() -> {
            try {
                // 对应IO编程中的服务端启动
                ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
                listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8000));
                listenerChannel.configureBlocking(false);
                listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

                while (true) {
                    // 监测是否有新连接,这里的1指阻塞的时间为 1ms
                    if (serverSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();

                            if (key.isAcceptable()) {
                                try {
                                    // (1)每来一个新连接,不需要创建一个线程,而是直接注册到clientSelector
                                    SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                                    clientChannel.configureBlocking(false);
                                    clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                }
                            }

                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {
            }

        }).start();


        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    // (2)批量轮询哪些连接有数据可读,这里的1指阻塞的时间为 1ms
                    if (clientSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();

                            if (key.isReadable()) {
                                try {
                                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                    // (3)面向Buffer
                                    clientChannel.read(byteBuffer);
                                    byteBuffer.flip();
                                    System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder(). decode(byteBuffer)
                                            .toString());
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                }
                            }

                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {
            }
        }).start();


    }
}

相信大部分没有接触过NIO的读者应该会直接跳过代码来到这一行:原来使用JDK原生NIO的API实现一个简单的服务端通信程序如此复杂!

我们还是先对照NIO来解释一下核心思路

  • NIO模型中通常会有两个线程,每个线程都绑定一个轮询器Selector。在这个例子中,serverSelector负责轮询是否有新连接,clientSelector负责轮询连接是否有数据可读。

  • 服务端监测到新连接之后,不再创建一个新线程,而是直接将新连接绑定到clientSelector上,这样就不用IO模型中的1万个while循环死等,参见(1)。

  • clientSelector被一个while死循环包裹着,如果在某一时刻有多个连接有数据可读,那么通过clientSelector.select(1)方法可以轮询出来,进而批量处理。

  • 数据的读写面向Buffer。

其他细节部分,因为实在是太复杂,所以笔者不再多讲,读者也不用对代码的细节深究到底。总之,强烈不建议直接基于JDK原生NIO来进行网络开发,下面是笔者总结的原因。

  • JDK的NIO编程需要了解很多概念,编程复杂,对NIO入门非常不友好,编程模型不友好,ByteBuffer的API简直“反人类”。

  • 对NIO编程来说,一个比较合适的线程模型能充分发挥它的优势,而JDK没有实现,需要自己实现,就连简单的自定义协议拆包都要自己实现。

  • JDK的NIO底层由Epoll实现,该实现饱受诟病的空轮询Bug会导致CPU占用率飙升至100%。

  • 项目庞大之后,自行实现的NIO很容易出现各类Bug,维护成本较高,上面这些代码笔者都不能保证没有Bug。

正因为如此,客户端代码这里就省略了,读者可以直接使用IOClient.javaNIOServer.java通信。

JDK的NIO犹如带刺的玫瑰,虽然美好,让人向往,但是使用不当会让你抓耳挠腮,痛不欲生,正因为如此,Netty横空出世!

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Netty编程

Netty到底是何方神圣?

用一句简单的话来说就是:Netty封装了JDK的NIO,让你用得更方便,不用再写一大堆复杂的代码了。

用官方正式的话来说就是:Netty是一个异步事件驱动的网络应用框架,用于快速开发可维护的高性能服务端和客户端。

下面是笔者总结的使用Netty而不使用JDK原生NIO的原因。

  • 使用JDK原生NIO需要了解太多概念,编程复杂,一不小心就Bug横飞。

  • Netty底层IO模型随意切换,而这一切只需要做微小的改动,改改参数,Netty可以直接从NIO模型变身为IO模型。

  • Netty自带的拆包/粘包、异常检测等机制让你从NIO的繁重细节中脱离出来,只需要关心业务逻辑即可。

  • Netty解决了JDK很多包括空轮询在内的Bug。

  • Netty底层对线程、Selector做了很多细小的优化,精心设计的Reactor线程模型可以做到非常高效的并发处理。

  • 自带各种协议栈,让你处理任何一种通用协议都几乎不用亲自动手。

  • Netty社区活跃,遇到问题随时邮件列表或者Issue。

  • Netty已经历各大RPC框架、消息中间件、分布式通信中间件线上的广泛验证,健壮性无比强大。

这些原因看不懂没有关系,在后续的章节中我们都可以学到。接下来我们用Netty来重新实现一下本章开篇的功能吧!

首先引入Maven依赖,案例后续Netty都基于4.1.6.Final版本。

<dependency>
    <groupId>io.netty</groupId>
    <artifactId>netty-all</artifactId>
    <version>4.1.6.Final</version>
</dependency>

然后是服务端实现部分。

NettyServer.java

/**
 * @author 闪电侠
 */

public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) {
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

        NioEventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        serverBootstrap
                .group(boss, worker)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() 
{
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() {
                            @Override
                            protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
                                System.out.println(msg);
                            }
                        });
                    }
                })
                .bind(8000);
    }
}

这么一小段代码就实现了我们前面NIO编程中的所有功能,包括服务端启动、接收新连接、打印客户端传来的数据,怎么样?是不是比JDK原生NIO编程简洁许多?

初学Netty的时候,由于大部分人对NIO编程缺乏经验,因此,将Netty里的概念与IO模型结合起来可能更好理解。

  • boss对应IOServer.java中的负责接收新连接的线程,主要负责创建新连接。

  • worker对应IOServer.java中的负责读取数据的线程,主要用于读取数据及业务逻辑处理。

剩下的逻辑笔者在后面的内容中会详细分析,读者可以先把这段代码复制到自己的IDE里,然后运行main函数。

下面是客户端NIO的实现部分。

NettyClient.java


/**
 * @author 闪电侠
 */

public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        bootstrap.group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new ChannelInitializer<Channel>() 
{
                    @Override
                    protected void initChannel(Channel ch) {
                        ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                    }
                });

        Channel channel = bootstrap.connect("127.0.0.1"8000).channel();

        while (true) {
            channel.writeAndFlush(new Date() + ": hello world!");
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
}

在客户端程序中,group对应了IOClient.java中main函数起的线程,剩下的逻辑在后面的内容中会详细分析,现在你要做的事情就是把这段代码复制到你的IDE里,然后运行main函数,最后回到NettyServer.java的控制台,你会看到效果。

使用Netty之后是不是觉得整个世界都变美好了?一方面,Netty对NIO封装得如此完美,写出来的代码非常优雅;另一方面,使用Netty之后,网络通信的性能问题几乎不用操心,尽情地让Netty“榨干”你的CPU吧

以上内容节选自《跟闪电侠学 Netty:Netty 即时聊天实战与底层原理》一书!

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原文始发于微信公众号(Java知音):太牛了,从 IO 聊到 Netty,最后实现一个完整的即时聊天软件!