38、對比Java標準NIO類庫，你知道Netty是如何實現更高效能的嗎？
今天我會對 NIO 進行一些補充，在專欄第 11 講中，我們初步接觸了 Java 提供的幾種 IO 機制，作為語言基礎類庫，Java 自身的 NIO 設計更偏底層，這本無可厚非，但是對於一線的應用開發者，其複雜性、擴充套件性等方面，就存在一定的侷限了。在基礎 NIO 之上，Netty 構建了更加易用、高效能的網路框架，廣泛應用於網際網路、遊戲、電信等各種領域。
今天我要問你的問題是，對比 Java 標準 NIO 類庫，你知道 Netty 是如何實現更高效能的嗎？
典型回答
單獨從效能角度，Netty 在基礎的 NIO 等類庫之上進行了很多改進，例如：
- 更加優雅的 Reactor 模式實現、靈活的執行緒模型、利用 EventLoop 等創新性的機制，可以非常高效地管理成百上千的 Channel。
- 充分利用了 Java 的 Zero-Copy 機制，並且從多種角度，“斤斤計較”般的降低記憶體分配和回收的開銷。例如，使用池化的 Direct Buffer 等技術，在提高 IO 效能的同時，減少了物件的建立和銷燬；利用反射等技術直接操縱 SelectionKey，使用陣列而不是 Java 容器等。
- 使用更多原生代碼。例如，直接利用 JNI 呼叫 Open SSL 等方式，獲得比 Java 內建 SSL 引擎更好的效能。
- 在通訊協議、序列化等其他角度的優化。
總的來說，Netty 並沒有 Java 核心類庫那些強烈的通用性、跨平臺等各種負擔，針對性能等特定目標以及 Linux 等特定環境，採取了一些極致的優化手段。
考點分析
這是一個比較開放的問題，我給出的回答是個概要性的舉例說明。面試官很可能利用這種開放問題作為引子，針對你回答的一個或者多個點，深入探討你在不同層次上的理解程度。
在面試準備中，兼顧整體性的同時，不要忘記選定個別重點進行深入理解掌握，最好是進行原始碼層面的深入閱讀和實驗。如果你希望瞭解更多從效能角度 Netty 在編碼層面的手段，可以參考 Norman 在 Devoxx 上的分享，其中的很多技巧對於實現極致效能的 API 有一定借鑑意義，但在一般的業務開發中要謹慎採用。
雖然提到 Netty，人們會自然地想到高效能，但是 Netty 本身的優勢不僅僅只有這一個方面，
下面我會側重兩個方面：
- 對 Netty 進行整體介紹，幫你瞭解其基本組成。
- 從一個簡單的例子開始，對比在第 11 講中基於 IO、NIO 等標準 API 的例項，分析它的技術要點，給你提供一個進一步深入學習的思路。
知識擴充套件
首先，我們從整體瞭解一下 Netty。按照官方定義，它是一個非同步的、基於事件 Client/Server 的網路框架，目標是提供一種簡單、快速構建網路應用的方式，同時保證高吞吐量、低延時、高可靠性。
從設計思路和目的上，Netty 與 Java 自身的 NIO 框架相比有哪些不同呢？
我們知道 Java 的標準類庫，由於其基礎性、通用性的定位，往往過於關注技術模型上的抽象，而不是從一線應用開發者的角度去思考。我曾提到過，引入併發包的一個重要原因就是，應用開發者使用例Thread API 比較痛苦，需要操心的不僅僅是業務邏輯，而且還要自己負責將其對映到 Thread 模型上。
Java NIO 的設計也有類似的特點，開發者需要深入掌握執行緒、IO、網路等相關概念，學習路徑很長，很容易導致程式碼複雜、晦澀，即使是有經驗的工程師，也難以快速地寫出高可靠性的實現。
Netty 的設計強調了 “Separation Of Concerns”，通過精巧設計的事件機制，將業務邏輯和無關技術邏輯進行隔離，並通過各種方便的抽象，一定程度上填補了了基礎平臺和業務開發之間的鴻溝，更有利於在應用開發中普及業界的最佳實踐。
另外，Netty > java.nio + java. net！
從 API 能力範圍來看，Netty 完全是 Java NIO 框架的一個大大的超集，你可以參考 Netty 官方的模組劃分。
除了核心的事件機制等，Netty 還額外提供了很多功能，例如：
- 從網路協議的角度，Netty 除了支援傳輸層的 UDP、TCP、SCTP協議，也支援 HTTP(s)、WebSocket 等多種應用層協議，它並不是單一協議的 API。
- 在應用中，需要將資料從 Java 物件轉換成為各種應用協議的資料格式，或者進行反向的轉換，Netty 為此提供了一系列擴充套件的編解碼框架，與應用開發場景無縫銜接，並且效能良好。
- 它擴充套件了 Java NIO Buffer，提供了自己的 ByteBuf 實現，並且深度支援 Direct Buffer 等技術，甚至 hack 了 Java 內部對 Direct Buffer 的分配和銷燬等。同時，Netty 也提供了更加完善的 Scatter/Gather 機制實現。
可以看到，Netty 的能力範圍大大超過了 Java 核心類庫中的 NIO 等 API，可以說它是一個從應用視角出發的產物。
當然，對於基礎 API 設計，Netty 也有自己獨到的見解，未來 Java NIO API 也可能據此進行一定的改進，如果你有興趣可以參考JDK-8187540。
接下來，我們一起來看一個入門的程式碼例項，看看 Netty 應用到底是什麼樣子。
與第 11 講類似，同樣是以簡化的 Echo Server 為例，下圖是 Netty 官方提供的 Server 部分，完整用例請點選連結。
上面的例子，雖然程式碼很短，但已經足夠體現出 Netty 的幾個核心概念，請注意我用紅框標記出的部分：
- ServerBootstrap，伺服器端程式的入口，這是 Netty 為簡化網路程式配置和關閉等生命週期管理，所引入 Bootstrapping 機制。我們通常要做的建立 Channel、繫結埠、註冊 Handler 等，都可以通過這個統一的入口，以Fluent API 等形式完成，相對簡化了 API 使用。與之相對應， Bootstrap則是 Client 端的通常入口。
- Channel，作為一個基於 NIO 的擴充套件框架，Channel 和 Selector 等概念仍然是 Netty 的基礎元件，但是針對應用開發具體需求，提供了相對易用的抽象。
- EventLoop，這是 Netty 處理事件的核心機制。例子中使用了 EventLoopGroup。我們在 NIO 中通常要做的幾件事情，如註冊感興趣的事件、排程相應的 Handler 等，都是 EventLoop 負責。
- ChannelFuture，這是 Netty 實現非同步 IO 的基礎之一，保證了同一個 Channel 操作的呼叫順序。Netty 擴充套件了 Java 標準的 Future，提供了針對自己場景的特有Future定義。
- ChannelHandler，這是應用開發者放置業務邏輯的主要地方，也是我上面提到的“Separation Of Concerns”原則的體現。ChannelPipeline，它是 ChannelHandler 鏈條的容器，每個 Channel 在建立後，自動被分配一個 ChannelPipeline。在上面的示例中，我們通過 ServerBootstrap 註冊了 ChannelInitializer，並且實現了 initChannel 方法，而在該方法中則承擔了向 ChannelPipleline 安裝其他 Handler 的任務。
你可以參考下面的簡化示意圖，忽略 Inbound/OutBound Handler 的細節，理解這幾個基本單元之間的操作流程和對應關係。
對比 Java 標準 NIO 的程式碼，Netty 提供的相對高層次的封裝，減少了對 Selector 等細節的操縱，而 EventLoop、Pipeline 等機制則簡化了程式設計模型，開發者不用擔心併發等問題，在一定程度上簡化了應用程式碼的開發。最難能可貴的是，這一切並沒有以可靠性、可擴充套件性為代價，反而將其大幅度提高。
我在專欄週末福利中已經推薦了 Norman Maurer 等編寫的《Netty 實戰》（Netty In Action），如果你想系統學習
Netty，它會是個很好的入門參考。針對 Netty 的一些實現原理，很可能成為面試中的考點，例如：
- Reactor 模式和 Netty 執行緒模型。
- Pipelining、EventLoop 等部分的設計實現細節。
- Netty 的記憶體管理機制、引用計數等特別手段。
- 有的時候面試官也喜歡對比 Java 標準 NIO API，例如，你是否知道 Java NIO 早期版本中的 Epoll空轉問題，以及 Netty 的解決方式等。
對於這些知識點，公開的深入解讀已經有很多了，在學習時希望你不要一開始就被複雜的細節弄暈，可以結合例項，逐步、有針對性的進行學習。我的一個建議是，可以試著畫出相應的示意圖，非常有助於理解並能清晰闡述自己的看法。
今天，從 Netty 效能的問題開始，我概要地介紹了 Netty 框架，並且以 Echo Server 為例，對比了 Netty 和 Java NIO 在設計上的不同。但這些都僅僅是冰山的一角，全面掌握還需要下非常多的功夫。
一課一練
關於今天我們討論的題目你做到心中有數了嗎？今天的思考題是，Netty 的執行緒模型是什麼樣的？