Netty 权威指南笔记（一）：网络 I/O 模型和 Java IO 入门

Java I/O 模型的实现离不开底层操作系统的支持，所以这里先讲一下 Linux 网络 I/O 模型。

Linux 网络 I/O 模型简介

同步阻塞 I/O 模型

最常见的模型是同步阻塞 I/O 模型，用户进程调用 recvfrom 的时候，会阻塞，一直等到响应数据被复制到用户空间的缓冲区或发生错误时才返回。

同步阻塞 I/O 模型

观看上面的流程图，我们可以发现，一次 I/O 请求包括以下几个步骤：

1. 用户进程发起系统调用。
2. 内核处理。
3. 将数据从内核复制到用户空间。

同步非阻塞 I/O 模型

在同步非阻塞 I/O 模型中，用户进程发起 recvfrom 系统调用时，如果缓冲区没有数据，操作会立即返回 EWOULDBLOCK，此后用户进程可以继续轮询，直到有数据返回。

同步非阻塞 I/O 模型

和同步阻塞 I/O 模型不同的地方在于，recvfrom 系统调用会立即返回，用户进程可以做其他任务后再来检查数据是否已经返回。

I/O 复用模型

Linux 提供 select/poll，进程通过将多个 fd 传递给 select 系统调用，阻塞在 select 操作上，让 select 帮我们侦测多个 fd 是否已经处于就绪状态。跟同步非阻塞 I/O 模型的对比我们发现，I/O 复用模型相当于把原来由用户进程负责的轮询操作，进行封装，放到了 select 调用里。

轮询的缺点是，当 fd 数量较多时，性能会比较差。所以 Linux 又提供了基于事件驱动的 epoll 系统调用来代替 select 的轮询。

I/O 复用模型

信号驱动 I/O 模型

在这种模型下，我们首先开启套接字的信号驱动式 I/O 功能，并通过 sigaction 系统调用安装一个信号处理函数。系统调用将立即返回，我们的进程继续工作，也就是说他没有被阻塞。当数据报准备好读取时，内核就为该进程产生一个 SIGIO 信号。我们随后就可以在信号处理函数中调用 read 读取数据报，并通知主循环数据已经准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它读取数据报。

信号驱动 I/O 模型

异步非阻塞 I/O 模型

告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后通知我们。这种模型与信号驱动模型的区别是：信号驱动 I/O 由内核告知我们何时可以开始一个 I/O 操作，而异步 I/O 模型由内核通知我们操作何时已经完成。

异步非阻塞 I/O 模型

下面我们总结一下，各种不同的 I/O 模型下，用户进程都需要做什么呢？

模型	阻塞	除了发起请求，用户进程还参与了哪些步骤？
同步阻塞 I/O	是	阻塞于全部过程
同步非阻塞 I/O	否	轮询状态，复制数据
I/O 复用	否	阻塞于多路复用系统调用，但可监听多个事件。但是 I/O 读写本身是非阻塞的
信号驱动 I/O	否	复制数据
异步非阻塞 I/O	否	用户进程只需要处理数据。完全无阻塞，内核负责 I/O 读写操作并复制数据

Java I/O

和 Linux 的诸多网络 I/O 模型相对应，Java 也有多种 I/O 相关的 API：

Linux 网络 I/O 模型	Java I/O API
同步阻塞 I/O	Socket、ServerSocket
I/O 复用	NIO: Selector、SocketChannel、ServerSocketChannel
异步非阻塞 I/O	AIO: AsynchronousSocketChannel、AsynchronousServerSocketChannel

Java NIO 代码示例

服务器端

端口监听类：

public class SelectorTest {

    private static ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(1, 1000, 1, TimeUnit.MINUTES, new ArrayBlockingQueue<Runnable>(1), new RejectedExecutionHandler() {
        public void rejectedExecution(Runnable r, ThreadPoolExecutor executor) {
            System.out.println("reject ...");
        }
    });

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

        Selector selector = Selector.open();

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9078));
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        SelectionKey selectionKey = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        selectionKey.attach("accept_channel");

        long start = System.currentTimeMillis();

        while (true) {
            int readyNum = selector.select();
            System.out.println("\nready num: " + readyNum + ", time: " + (System.currentTimeMillis() - start));

            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey next = iterator.next();
                String tag = (String) next.attachment();

                if (next.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) next.channel();
                    SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    String socketName = "socket_" + atomicInteger.incrementAndGet();
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, socketName);

                    System.out.println(tag + " new SocketChannel: " + socketName);
                } else if (next.isReadable()) {
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) next.channel();
                    executor.submit(new SocketServerRunnable(socketChannel, tag));
                    next.cancel();
                }

                iterator.remove();
            }
        }
    }
}

SocketServerRunnable 业务处理类：

public class SocketServerRunnable implements Runnable {

    private SocketChannel socketChannel;
    private String tag;

    public SocketServerRunnable(SocketChannel serverSocketChannel, String tag) {
        this.socketChannel = serverSocketChannel;
        this.tag = tag;
    }

    public void run() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
            buffer.clear();
            int readNum = socketChannel.read(buffer);
            System.out.println(tag + " receive: " + ConvertUtil.convertByteBufferToString(buffer));
            buffer.rewind();
            socketChannel.write(buffer);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(tag + " time: " + (System.currentTimeMillis() - start));
        }
    }
}

客户端

public class SocketChannelRunnable implements Runnable {
    private String tag = "default";

    public SocketChannelRunnable(){}

    public SocketChannelRunnable(String tag) {
        this.tag = tag;
    }

    public void run() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9078));

            System.out.println(tag + " connect success ......");

            ByteBuffer byteBuffer = helloString();
            while (byteBuffer.hasRemaining()) {
                socketChannel.write(byteBuffer);
            }

            byteBuffer.clear();
            socketChannel.read(byteBuffer);

            System.out.println(tag + " receive: " + ConvertUtil.convertByteBufferToString(byteBuffer));

            socketChannel.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(tag + " time: " + (System.currentTimeMillis() - start));
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new SocketChannelRunnable().run();
    }
}

总结，是为了强化学习效果。