Netty淺析 - 1. 基礎
前言
在瞭解一個事物之前，最好能對它的基本屬性和相關概念有個基本的認知，所以學習Netty之前，也有必要了解與Netty相關的基礎概念知識；本篇將對Netty做一個基礎性的介紹，主要包括Netty的適用場景，特色以及基礎的IO知識，如果你已經瞭解這些知識，也可以跳過本篇，直接進入下一篇：Netty淺析 - 2. 實現
Netty是什麼？
首先我們來看Netty是什麼，關於這個問題，其 ofollow,noindex">官網 有一段闡述：
Netty is a NIO client server framework which enables quick and easy development of network applications such as protocol servers and clients
這段翻譯過來意思就是：
Netty是一個基於NIO的非同步網路程式設計框架，基於Netty能快速的搭建高效能易擴充套件的網路應用（包括客戶端與服務端）
具體來說Netty就是對於Java NIO的封裝，NIO又是什麼呢？NIO是Java 1.4後引入的基於 事件模型 的 非阻塞IO 框架，在NIO之前，對於資料的處理都是基於BIO(blocking IO)，從名字上就知道BIO是以阻塞的形式對資料進行處理，這種處理形式比較簡單，但是既然阻塞的，那麼就不可避免會涉及到執行緒的操作，熟悉併發的小夥伴應該都知道，執行緒是一種昂貴的資源，無論是建立，銷燬，還是切換，這就導致BIO在面對一些特定場景如高併發等束手無策，而這些場景在網際網路應用中卻又很常見；對應的，NIO能較好的應對這些場景，遺憾的是，Java在剛推出NIO時，由於各種原因，致使其使用複雜，且經常會出現Bug，結果就是：廣大開發者有需求，但解決需求的工具就是不好用這樣尷尬的局面，怎麼辦呢？ -- 自己動手，豐衣食足！大不了再造個"輪子"，所以就出現了一系列解決NIO問題的框架，而Netty就是其中最著名的那一個（當然Java發展到現在，其NIO庫原本的很多問題都得到瞭解決，只不過很多解決方案借鑑的也是Netty的思想）
另外，Netty並不止於解決NIO的問題，它更進一步，還提供了一系列特色功能，具體請繼續往下看
Netty的特色
自己的孩子自己最瞭解，繼續來看Netty官網對於Netty特色的說(chui)明(niu)：
It greatly simplifies and streamlines network programming such as TCP and UDP socket server
'Quick and easy' doesn't mean that a resulting application will suffer from a maintainability or a performance issue. Netty has been designed carefully with the experiences earned from the implementation of a lot of protocols such as FTP, SMTP, HTTP, and various binary and text-based legacy protocols. As a result, Netty has succeeded to find a way to achieve ease of development, performance, stability, and flexibility without a compromise
這段話大概的意思就是：
首先，Netty能極大的簡化你的網路程式設計；並且，簡單好用還不需要以複雜的管理和低效的效能為代價，Netty通過優秀的設計，在易部署，高效能，穩定性，擴充套件性之間找到了一個較好的平衡點
我們把這句話提煉出來，大概就可以得到Netty的幾大特色：
- 針對基本的需求提供了簡單易用的介面，直接上手！
- 針對複雜的場景提供了很強的擴充套件性，輕鬆應對業務發展！
- 在上面兩點的基礎上，效能不打折！
而如果對這些特點進行細化，則可以得出：
- 基於事件機制（Pipeline - Handler）達成關注點分離（訊息編解碼，協議編解碼，業務處理）
- 可定製的執行緒處理模型，單執行緒，多執行緒池等
- 遮蔽NIO本身的bug
- 效能上的優化
- 相較於NIO介面功能更豐富
- 對外提供統一的介面，底層支援BIO與NIO兩種方式自由切換
這些特性將在本系列第二篇裡做詳細分析；既然Netty的本質還是一個基於NIO的網路框架，那麼想要掌握Netty的精髓，對於NIO的瞭解就不可或缺
NIO處理模型介紹
在介紹NIO之前，最好了解一下BIO，還沒有學習過的小夥伴可以閱讀我另外一篇介紹BIO的文章： Java IO使用入門 -- IO其實很簡單
NIO是Java 1.4引入的一種同步非阻塞的I/O模型，也是I/O多路複用的基礎；相對於Java BIO(OIO)提供的基於面向流的阻塞式程式設計模型，NIO提供的是面向緩衝區的響應式事件程式設計模型
image.png
讀到這裡可能有些人會覺得迷糊，什麼阻塞？非阻塞？基於流？基於緩衝區？這裡有必要介紹一下Linux下的5中IO模型：
image.png
-
阻塞I/O模型：
最常用的I/O模型就是阻塞I/O模型，當用戶程序呼叫了recvfrom這個系統呼叫，kernel就開始了IO的第一個階段：準備資料（對於網路IO來說，很多時候資料在一開始還沒有到達。比如，還沒有收到一個完整的UDP包。這個時候kernel就要等待足夠的資料到來）。這個過程需要等待，也就是說資料被拷貝到作業系統核心的緩衝區中是需要一個過程的。而在使用者程序這邊，整個程序會被阻塞。當kernel一直等到資料準備好了，它就會將資料從kernel中拷貝到使用者記憶體，然後kernel返回結果，使用者程序才解除block的狀態，重新執行起來。 所以，blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了
image.png
-
非阻塞IO模型：
linux下，可以通過設定socket使其變為non-blocking。當對一個non-blocking socket執行讀操作時，流程是這個樣子：
當用戶程序發出read操作時，如果kernel中的資料還沒有準備好，那麼它並不會block使用者程序，而是立刻返回一個error。從使用者程序角度講 ，它發起一個read操作後，並不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。使用者程序判斷結果是一個error時，它就知道資料還沒有準備好，於是它可以再次傳送read操作。一旦kernel中的資料準備好了，並且又再次收到了使用者程序的system call，那麼它馬上就將資料拷貝到了使用者記憶體，然後返回； 所以，nonblocking IO的特點是使用者程序需要不斷的主動詢問kernel資料好了沒有。
image.png
-
IO複用模型：
IO multiplexing就是我們說的select，poll，epoll，有些地方也稱這種IO方式為event driven IO。select/epoll的好處就在於單個process就可以同時處理多個網路連線的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者程序
當用戶程序呼叫了select，那麼整個程序會被block，而同時，kernel會監視所有select負責的socket，當任何一個socket中的資料準備好了，select就會返回。這個時候使用者程序再呼叫read操作，將資料從kernel拷貝到使用者程序； 所以，I/O 多路複用的特點是通過一種機制使得一個程序能同時等待多個檔案描述符，而這些檔案描述符（套接字描述符）其中的任意一個進入讀就緒狀態，select()函式就可以返回，所以說它最大的優勢是系統開銷小，系統不需要建立或維護新的程序/執行緒 。另外，從上面比較IO複用流程圖和阻塞IO的圖可以發現，多路複用本身也是阻塞的，事實上，其效率可能還更差一些。因為這裡需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而阻塞IO只調用了一個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在於它可以同時處理多個connection。所以，如果處理的連線數不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用阻塞IO的web server效能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優勢並不是對於單個連線能處理得更快，而是在於能處理更多的連線。）在IO複用模型中，對於每一個socket，一般都設定成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個使用者的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函式block，而不是被socket IO給block
image.png
-
訊號驅動IO模型：
首先開啟套介面訊號驅動I/O功能,並通過系統呼叫sigaction執行一個訊號處理函式（此係統呼叫立即返回，程序繼續工作，它是非阻塞的）。當資料準備就緒時，就為該程序生成一個SIGIO訊號。隨即可以在訊號處理程式中呼叫recvfrom來讀資料，井通知主迴圈函式處理資料；一般用的較少
-
非同步IO：
在非同步IO模型下，使用者程序發起read操作之後，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之後，首先它會立刻返回，所以不會對使用者程序產生任何block。然後，kernel會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到使用者記憶體，當這一切都完成之後，kernel會給使用者程序傳送一個signal，告訴它read操作完成了
image.png
介紹完這5種IO模型後，我們回到NIO，NIO基於的是IO複用模型（就是上面的第三種IO模型），正如在介紹IO複用模型時已提到，而在linux下，有三種針對該模型的實現，分別為：select，poll，epoll，其中epoll是linux 2.6後才有的；select有一個比較大的缺陷就是其程序所開啟的FD是有一定限制的，預設是1024，這個對於一些動輒需要上萬連線的大型伺服器來說，遠遠不夠用，當然這個值可以改大一些，但是一般情況把這個引數改大會影響效能（因為select是每次都迴圈遍歷所有的連線集合），而epoll是相關事件觸發後主動回撥，所以效能會好很多
總結
本篇主要介紹了Netty相關的基礎知識，主要為本系列的第二篇Netty淺析 - 2. 實現做準備，如果需要對IO模型進行更深入的瞭解，可以參考下面幾篇文章：