Netty 是基于Java NIO 封装的网络通讯框架,只有充分理解了 Java NIO 才能理解好Netty的底层设计。Java NIO 由三个核心组件组件:
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Buffer
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Channel
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Selector
缓冲区 Buffer
Buffer 是一个数据对象,我们可以把它理解为固定数量的数据的容器,它包含一些要写入或者读出的数据。
在 Java NIO 中,任何时候访问 NIO 中的数据,都需要通过缓冲区(Buffer)进行操作。读取数据时,直接从缓冲区中读取,写入数据时,写入至缓冲区。NIO 最常用的缓冲区则是 ByteBuffer。下图是 Buffer 继承关系图:
每一个 Java 基本类型都对应着一种 Buffer,他们都包含这相同的操作,只不过是所处理的数据类型不同而已。
通道 Channel
Channel 是一个通道,它就像自来水管一样,网络数据通过 Channel 这根水管读取和写入。传统的 IO 是基于流进行操作的,Channle 和类似,但又有些不同:
区别 | 流 | 通过Channel |
---|---|---|
支持异步 | 不支持 | 支持 |
是否可双向传输数据 | 不能,只能单向 | 可以,既可以从通道读取数据,也可以向通道写入数据 |
是否结合 Buffer 使用 | 不 | 必须结合 Buffer 使用 |
性能 | 较低 | 较高 |
正如上面说到的,Channel 必须要配合 Buffer 一起使用,我们永远不可能将数据直接写入到 Channel 中,同样也不可能直接从 Channel 中读取数据。都是通过从 Channel 读取数据到 Buffer 中或者从 Buffer 写入数据到 Channel 中,如下:
简单点说,Channel 是数据的源头或者数据的目的地,用于向 buffer 提供数据或者读取 buffer 数据,并且对 I/O 提供异步支持。
下图是 Channel 的类图
Channel 为最顶层接口,所有子 Channel 都实现了该接口,它主要用于 I/O 操作的连接。定义如下:
public interface Channel extends Closeable { /** * 判断此通道是否处于打开状态。 */ public boolean isOpen(); /** *关闭此通道。 */ public void close() throws IOException;
}
最为重要的Channel实现类为:
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FileChannel:一个用来写、读、映射和操作文件的通道
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DatagramChannel:能通过 UDP 读写网络中的数据
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SocketChannel: 能通过 TCP 读写网络中的数据
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ServerSocketChannel:可以监听新进来的 TCP 连接,像 Web 服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个 SocketChannel
多路复用器 Selector
多路复用器 Selector,它是 Java NIO 编程的基础,它提供了选择已经就绪的任务的能力。从底层来看,Selector 提供了询问通道是否已经准备好执行每个 I/O 操作的能力。简单来讲,Selector 会不断地轮询注册在其上的 Channel,如果某个 Channel 上面发生了读或者写事件,这个 Channel 就处于就绪状态,会被 Selector 轮询出来,然后通过 SelectionKey 可以获取就绪 Channel 的集合,进行后续的 I/O 操作。
Selector 允许一个线程处理多个 Channel ,也就是说只要一个线程复杂 Selector 的轮询,就可以处理成千上万个 Channel ,相比于多线程来处理势必会减少线程的上下文切换问题。下图是一个 Selector 连接三个 Channel :
实例
服务端
public class NIOServer {
/*接受数据缓冲区*/ private ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*发送数据缓冲区*/ private ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); private Selector selector; public NIOServer(int port) throws IOException { // 打开服务器套接字通道
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 服务器配置为非阻塞
serverSocketChannel.configureBlocking(false); // 检索与此通道关联的服务器套接字
ServerSocket serverSocket = serverSocketChannel.socket(); // 进行服务的绑定
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port)); // 通过open()方法找到Selector
selector = Selector.open(); // 注册到selector,等待连接
serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); System.out.println("Server Start----:"); } private void listen() throws IOException { while (true) { selector.select(); Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iterator.next(); iterator.remove(); handleKey(selectionKey); } } } private void handleKey(SelectionKey selectionKey) throws IOException { // 接受请求
ServerSocketChannel server = null; SocketChannel client = null; String receiveText; String sendText; int count=0; // 测试此键的通道是否已准备好接受新的套接字连接。
if (selectionKey.isAcceptable()) { // 返回为之创建此键的通道。
server = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel(); // 接受到此通道套接字的连接。
// 此方法返回的套接字通道(如果有)将处于阻塞模式。
client = server.accept(); // 配置为非阻塞
client.configureBlocking(false); // 注册到selector,等待连接
client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { // 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count = client.read(receivebuffer); if (count > 0) { receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("服务器端接受客户端数据--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { //将缓冲区清空以备下次写入
sendbuffer.clear(); // 返回为之创建此键的通道。
client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText="message from server--"; //向缓冲区中输入数据
sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip(); //输出到通道
client.write(sendbuffer); System.out.println("服务器端向客户端发送数据--:"+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } public static void main(String[] args) throws IOException { int port = 8080; NIOServer server = new NIOServer(port); server.listen(); }}
客户端
public class NIOClient {
/*接受数据缓冲区*/
private static ByteBuffer sendbuffer = ByteBuffer.allocate(1024); /*发送数据缓冲区*/
private static ByteBuffer receivebuffer = ByteBuffer.allocate(1024); public static void main(String[] args) throws IOException { // 打开socket通道
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); // 设置为非阻塞方式
socketChannel.configureBlocking(false); // 打开选择器
Selector selector = Selector.open(); // 注册连接服务端socket动作
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); // 连接 socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080)); Set<SelectionKey> selectionKeys; Iterator<SelectionKey> iterator; SelectionKey selectionKey; SocketChannel client; String receiveText; String sendText; int count=0; while (true) { //选择一组键,其相应的通道已为 I/O 操作准备就绪。
//此方法执行处于阻塞模式的选择操作。
selector.select(); //返回此选择器的已选择键集。
selectionKeys = selector.selectedKeys(); //System.out.println(selectionKeys.size());
iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { selectionKey = iterator.next(); if (selectionKey.isConnectable()) { System.out.println("client connect"); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); // 判断此通道上是否正在进行连接操作。
// 完成套接字通道的连接过程。
if (client.isConnectionPending()) { client.finishConnect(); System.out.println("完成连接!"); sendbuffer.clear(); sendbuffer.put("Hello,Server".getBytes()); sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); } client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (selectionKey.isReadable()) { client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); //将缓冲区清空以备下次读取
receivebuffer.clear(); //读取服务器发送来的数据到缓冲区中
count=client.read(receivebuffer); if(count>0){ receiveText = new String( receivebuffer.array(),0,count); System.out.println("客户端接受服务器端数据--:"+receiveText); client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE); } } else if (selectionKey.isWritable()) { sendbuffer.clear(); client = (SocketChannel) selectionKey.channel(); sendText = "message from client--"; sendbuffer.put(sendText.getBytes()); //将缓冲区各标志复位,因为向里面put了数据标志被改变要想从中读取数据发向服务器,就要复位
sendbuffer.flip(); client.write(sendbuffer); System.out.println("客户端向服务器端发送数据--:"+sendText); client.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } } selectionKeys.clear(); } }
}
运行结果