Netty与NIO超详细讲解

Linux下的五种I/O模型

1)阻塞I/O（blocking I/O）

2)非阻塞I/O （nonblocking I/O）

3) I/O复用(select 和poll) （I/O multiplexing）

4)信号驱动I/O （signal driven I/O (SIGIO)）

5)异步I/O （asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)）

前面四种都是同步io、第五种是异步IO；

阻塞式：当程序没有获取到数据的时候，整个应用可能会产生阻塞，放弃了CPU执行，无法去做其他事情。

非阻塞式：不管有没有获取到数据，都必须立马返回一个结果，如果没有获取到数据的情况下返回一个错误标记，根据错误的标记不断轮询。BIO属于阻塞式的io操作。可以使用多线程实现异步I0，同时处理多个请求。缺点:非常消耗服务器资源CPU

阻塞IO的流程

BIO属于阻塞式的io操作。

可以使用多线程实现异步IO，同时处理多个请求。缺点:非常消耗服务器资源CPU

当我们在调用一个io函数的时候，如果没有获取到数据的情况下，那么就会一直等待；等待的过程中会导致整个应用程序一直是一个阻塞的过程，无法去做其他的实现。

IO复用

IO复用机制：IO实际指的就是网络的IO、多路也就是多个不同的tcp连接；复用也就是指使用同一个线程合并处理多个不同的IO操作，这样的话可以减少CPU资源。

信号驱动I/O

发出一个请求实现观察监听，当有数据的时候直接走我们异步回调；

异步IO

异步io也就是发出请求数据之后，剩下的事情完全实现异步完成

同步与异步

站在多线程的角度总结：

同步整个应用代码执行顺序是从上往下执行 并且返回到结果；

异步：开启多个不同的分支实现并行执行 每个线程互不影响；

站在web项目角度分析

默认的情况Http请求就是一个同步形式实现调用 基于请求与响应，如果我们响应非常耗时的话，会导致客户端一直等待（用户体验非常不好）

NIO

Java的nio是在Jdk1.4版本之后推出了一套新的io方案，这种io方案对原有io做了一次性能上的升级

NIO翻译成英文 no blocking io 简称为 nio 非阻塞io，不是new io。

比传统的io支持了面向缓冲区、基于通道实现的io的方案。

BIO 与 NIO 区别:

Bio是一个阻塞式的io,它是西向与流传输也就是根据每个字节实现传输效率非常低，

而我们的nio是雨向与缓冲区的非阻塞边.其中最大的亮点:运多路复用机制，

I0多路复用

多路实际上指的是多个不同的 tcp 连接。

复用:一个线程可以维护多个不同的io操作。

优点:占用cpu资源非常小、保证线程安全问题。

IO 多路复用实现原理

使用一个Java案例来描述IO多路复用的思路：

public class SocketNioTcpServer {
   private static List<SocketChannel> listSocketChannel = new ArrayList<>();
   private static ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
   public static void main(String[] args) {
       try {
           // 1.创建一个ServerSocketChannel
           ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
           // 2. 绑定地址
           ServerSocketChannel bind = serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
           serverSocketChannel.configureBlocking(false);
           while (true) {
               SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
               if (socketChannel != null) {
                   socketChannel.configureBlocking(false);
                   listSocketChannel.add(socketChannel);
               }
               for (SocketChannel scl : listSocketChannel) {
                   try {
                       int read = scl.read(byteBuffer);
                       if (read > 0) {
                           byteBuffer.flip();
                           Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
                           String receiveText = charset.newDecoder().decode
                                   (byteBuffer.asReadOnlyBuffer()).toString();
                           System.out.println("receiveText:" + receiveText);
                       }
                   } catch (Exception e) {
                       e.printStackTrace();
                   }
               }
           }
       } catch (Exception e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

NIO核心组件

通道（Channel）

通常我们nio所有的操作都是通过通道开始的，所有的通道都会注册到统一个选择器(Selector)上实现管理，在通过选择器将数据统一写入到 buffer中。

缓冲区(Buffer)

Buffer本质上就是一块内存区，可以用来读取数据，也就先将数据写入到缓冲区中、在统一的写入到硬盘上。

选择器(Selector)

Selector可以称做为选择器，也可以把它叫做多路复用器，可以在单线程的情况下可以去维护多个Channel，也可以去维护多个连接；

使用Java原生API实现NIO操作

public class NIOServer {
   /**
    * 创建一个选择器
    */
   private Selector selector;
   public void initServer(int port) throws IOException {
       // 获得一个ServerSocketChannel通道
       ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
       // 设置通道为非阻塞
       serverSocketChannel.configureBlocking(false);
       // 将该通道对应的ServerSocket绑定到port端口
       serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
       // 获得一个通道管理器
       this.selector = Selector.open();
       // 将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_ACCEPT事件,注册该事件后，
       // 当该事件到达时，selector.select()会返回，如果该事件没到达selector.select()会一直阻塞。
       serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   }
   public void listen() throws IOException {
       System.out.println("服务端启动成功！");
       // 轮询访问selector
       while (true) {
           // 当注册的事件到达时，方法返回；否则,该方法会一直阻塞
           int select = selector.select();
           if (select == 0) {
               continue;
           }
           // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
           Iterator<SelectionKey> ite = this.selector.selectedKeys().iterator();
           while (ite.hasNext()) {
               SelectionKey key = (SelectionKey) ite.next();
               // 删除已选的key,以防重复处理
               ite.remove();

if (key.isAcceptable()) {// 客户端请求连接事件
                   ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
                   // 获得和客户端连接的通道
                   SocketChannel channel = server.accept();
                   // 设置成非阻塞
                   channel.configureBlocking(false);
                   // 在和客户端连接成功之后，为了可以接收到客户端的信息，需要给通道设置读的权限。
                   channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

} else if (key.isReadable()) {// 获得了可读的事件
                   read(key);
               }

}

}
   }
   public void read(SelectionKey key) throws IOException {
       // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道
       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
       // 创建读取的缓冲区
       ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);
       channel.read(buffer);
       byte[] data = buffer.array();
       String msg = new String(data).trim();
       System.out.println("服务端收到信息：" + msg);
       ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes("utf-8"));
       channel.write(outBuffer);// 将消息回送给客户端
   }
   public static void main(String[] args) throws IOException {
       NIOServer server = new NIOServer();
       server.initServer(8000);
       server.listen();
   }
}

Redis为什么支持高并发

Redis官方没有windows版本redis，只有linux版本的reids。

Redis的底层是采用nio 多路io复用机制实现对多个不同的连接（tcp）实现io的复用；能够非常好的支持高并发，同时能够先天性支持线程安全的问题。为什么现场安全？因为使用一个线程维护多个不同的io操作 原理使用nio的选择器，将多个不同的Channel统一交给我们的selector(选择器管理)。

但是nio的实现在不同的操作系统上存在差别：在我们windows操作系统上使用 select 实现轮训机制、在linux操作系统使用epoll

备注：windows操作系统是没有epoll

在windows操作系统中使用select实现轮训机制时间复杂度是为 o(n),而且这种情况也会存在空轮训的情况，效率非常低、其次默认对我们的轮训有一定限制，所以这样的话很难支持上万tcp连接。

所以在这时候linux操作就出现epoll实现事件驱动回调形式通知，不会存在空轮训的情况，只是对活跃的socket实现主动回调，这样的性能有很大的提升 所以时间复杂度为是o(1)

注意：windows操作系统没有epoll、只有linux操作系统有。

所以为什么Nginx、redis能够支持非常高的并发 最终都是靠的linux版本的 io 多路复用机制epoll

来源：https://blog.csdn.net/weixin_44044929/article/details/123893420