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在學習 Netty 框架前有一個話題是無法繞過的，就是：網路程式設計 IO 模型，聽見 IO 模型有些同學就開始背八股文了，Java 常見 IO 模型有：

• 同步阻塞 BIO
• 同步非阻塞 NIO
• 非同步非阻塞 AIO

今天跟大家一起重溫下這些知識點。

Socket 網路程式設計

網路程式設計中有一個重要的概念就是：Socket，我們簡單瞭解一下。

在網路通訊中，客戶端和服務端通過一個雙向的通訊連線實現資料的交換，連線的任意一端都可稱為一個 Socket。

Talk is cheap， show me the diagram

總結一下流程，可以簡單描述為這四步：

• （1）服務端啟動，監聽指定埠，等待客戶端連線；

• （2）客戶端嘗試與服務端連線，建立可信資料傳輸通道；

• （3）客戶端與服務端進行資料交換；

• （4）客戶端或者服務端斷開連線，終止通訊；

瞭解了基本流程，有些小夥伴可能對 Socket 這玩意很感興趣了，Socket 到底是什麼東西呢？Socket 中文翻譯過來就是套接字，是網路通訊物件的抽象表達，聽起來還是很模糊，從編碼者視角來看，本質上就是一套程式設計介面，是對複雜的 TCP/IP 協議進行封裝供上層應用使用，這樣總明白了吧。

那 Socket 物件一般包括什麼東西呢？一般包括五種資訊：連線使用的協議

傳統 BIO 模式

上面小節從理論角度講解了什麼是Socket，現在我們回到開發語言實現層面上來，以 Java 為例，Java 語言從 1.0 版本就已經封裝了 Socket 相關的介面供開發者使用，對這部分程式碼感興趣的小夥伴可以出門向左拐，在java.net 包下面檢視原始碼。

我們嘗試用一個 demo 來演示一下傳統的網路程式設計：

服務端程式碼：

public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 建立一個ServerSocket，監聽埠8888
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
        
        // 迴圈方式監聽客戶端的請求
        while (true) {
            // 這裡一直會阻塞，直到客戶端連線上
            Socket socket = ss.accept();

            // 輸入流用於接收訊息
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            BufferedInputStream bufferedInputStream = new BufferedInputStream(inputStream);
            
            // 輸出流用於回覆訊息
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            final PrintStream printStream = new PrintStream(outputStream);

            // 迴圈接收並回復客戶端傳送的訊息
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int len;
            while ((len = bufferedInputStream.read(bytes)) != -1) {
                printStream.print("服務端收到：" + new String(bytes, 0, len));
            }
        }
    }

效果演示：

服務端執行起來後，使用 telnet 命令來模擬客戶端傳送訊息:

telnet 127.0.0.1 8888

客戶端每傳送一條訊息，服務端都會回覆，演示效果如下：

仔細想一下，上面的程式碼可能會有問題，如果前面一個客戶端一直不斷開，服務端就不能處理其他客戶端的訊息了，也就是說程式不具備併發的能力。

我們稍加改造一下，將前面的處理邏輯程式碼全部抽取到一個新的handle()方法， 每當有客戶端連線上就新開一個執行緒處理：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 建立一個ServerSocket，監聽埠8888
    ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);

    // 迴圈方式監聽客戶端的請求
    while (true) {
        // 這裡一直會阻塞，直到客戶端連線上
        Socket socket = ss.accept();
        // 啟動一個新的執行緒處理
        new Thread(() -> handle(socket)).start();
    }
}

這裡為了演示方便直接新起了一個執行緒，當然更好的辦法是用執行緒池，但是也解決不了根本性問題。

看了兩段程式碼，先簡單總結一下 BIO 模式的劣勢：

• 如果 BIO 使用單執行緒接收連線，則會阻塞其他連線，效率較低。
• 如果使用多執行緒，雖然減弱了單執行緒帶來的影響，但當有大併發進來時，會導致伺服器執行緒太多，壓力太大而崩潰。
• 就算使用執行緒池，也只能同時允許有限個數的執行緒進行連線，如果併發量遠大於執行緒池設定的數量，還是與單執行緒無異。
• IO 程式碼裡 read 操作是阻塞操作，如果連線不做資料讀寫操作會導致執行緒阻塞，就是說只佔用連線，不傳送資料，則會浪費資源。比如執行緒池中 500個連線，只有 100 個是頻繁讀寫的連線，其他佔著茅坑不拉屎，浪費資源！
• 另外多執行緒也會有執行緒切換帶來的消耗。

綜上所述，BIO 模式不能滿足大併發業務場景，僅適用於連線數目比較小且固定的架構。

同步阻塞 BIO 模式

根據上面的例子我們再畫圖抽象一下 BIO 網路程式設計場景：

傳統 BIO 的特點是隻要來了一個新客戶端連線，服務端就會開闢一個執行緒處理客戶端請求，但是客戶端連線後並不是一直都對服務端進行 IO 操作，這樣會導致服務端阻塞，一直佔用著執行緒資源，造成很多非要的開銷。

為了解決這個問題，Java 引入了 NIO，我們接著往下看。

NIO

在 Java 1.4 版本之前 BIO 是開發者唯一的選擇，1.4 版本開始引入了 NIO 框架。

NIO 的 N 有兩層含義，一層是：New IO，另一層是 Non Blocking IO。

「New」是相對於傳統 BIO 來說的，在當時確實挺新的；Non Blocking IO 又被稱為：同步非阻塞 IO，同步非阻塞體現在：

• 同步：呼叫的結果會在本次呼叫後返回，不存在非同步執行緒回撥之類的。
• 非阻塞：表現為執行緒不會一直在等待，把連線加入集合後，執行緒會一直輪詢集合中的連線，有則處理，無則繼續接受請求。

NIO 三大基礎元件

學習 NIO必須得知道下面這三個基礎元件：

（1）Buffer(緩衝區)

IO 是面向流（位元組流或者字元流）的，而 NIO 是面向塊的，塊指的是 Buffer 緩衝區。面向塊的方式一次性可以獲取或者寫入一整塊資料，而不需要一個位元組一個位元組的從流中讀取，這樣處理資料的速度會比流方式更快。

Buffer 緩衝區的底層實現是陣列，根據陣列型別可以細分為：ByteBuffe、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer等。

（2）Channel(通道)

Channel 翻譯成中文是通道的意思，作用類似於 IO 中的 Stream 流。但是 Channel 和 Stream 不同之處在於 Channel 是雙向的，Stream 只是在一個方向移動，而且 Channel 可以用於讀、寫或者同時用於讀寫。

常見 Channel 通道型別：

• FileChannel 用於檔案操作場景；
• ServerSocketChannel 和 SocketChannel 主要用於 TCP 網路通訊 IO，這是本文的重點；
• DatagramChannel: 從 UDP 網路中讀取或者寫入資料。

Channel 與 Buffer 之間的關係：

每個 Channel 對應一個 Buffer 緩衝區，永遠無法將資料直接寫入到Channel或者從Channel中讀取資料。需要通過Buffer與Channel互動。

（3）Selector(多路複用器)

NIO 服務端的實現模式是把多個連線(請求)放入集合中，只用一個執行緒可以處理多個請求(連線)，也就是多路複用，Linux 環境下多路複用底層主要用的是核心函式（select，poll）來實現的，為了提升效率，Java 1.5 版本開始使用 epoll。

關於 select、poll、epoll 之間的對比，感興趣的小夥伴可以自行上網查詢。

在 NIO 中多路複用器我們稱之為：Selector，Channel 會註冊到 Selector 上，由 Selector 根據 Channel 讀寫事件的發生將其交由某個空閒的執行緒處理。

Buffer、Channel、Selector 這三個元件的之間的關係可以用下面的圖來描述：

基本的工作流程如下：

（1）首先將 Channel 註冊到 Selector 中；

（2）初始化 Selector，呼叫 select() 方法，select 方法會阻塞直到感興趣的事件來臨；

（3）當某個 Channel 有連線或者讀寫事件時，該 Channel 就會處於就緒狀態；

（4）Selector 開始輪詢所有處於就緒狀態的SelectionKey，通過 SelectionKey 可以獲取對應的Channel 集合；

NIO 比 BIO 好用在哪？

NIO 相對於 BIO 最大的改進就是使用了多路複用技術，用少量執行緒處理大量客戶端 IO 請求，提高了併發量並減少了資源消耗；

另外NIO 的操作時非阻塞的，比如說，單執行緒中從通道讀取資料到buffer，同時可以繼續做別的事情，當資料讀取到buffer中後，執行緒再繼續處理資料。寫資料也是一樣的。

NIO 存在的問題

NIO這麼牛了，是不是就是終極解決方案了？其實也不是，NIO 也存在很多問題。

我們來看看 NIO 有哪些問題？

（1）NIO 的 API 使用起來非常麻煩，門檻比較高，開發者需要熟練掌握：Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等類。

（2）NIO 程式設計涉及到 Reactor 模式，開發者需要對多執行緒和網路程式設計非常熟悉才能寫出高質量的 NIO 程式；

（3）異常場景處理麻煩，比如：客戶端斷連重連、網路閃斷、拆包粘包、網路擁塞等等；

（4）NIO 有 bug，不穩定，比如：臭名昭著的 Epoll bug，會導致 Selector 空輪詢，最終導致 CPU 100%。

NIO 問題這麼多，有些開發者終於不能忍了，最終 Netty 框架橫空出世。