netty系列之:NIO和netty详解 netty系列之:NIO和netty详解

简介
NIO常用用法
NIO和EventLoopGroup
NioEventLoopGroup
- SelectorProvider
- SelectStrategyFactory
- RejectedExecutionHandler
- EventLoopTaskQueueFactory
NioEventLoop
总结

简介 netty为什么快呢？这是因为netty底层使用了JAVA的NIO技术，并在其基础上进行了性能的优化，虽然netty不是单纯的JAVA nio，但是netty的底层还是基于的是nio技术。
nio是JDK1.4中引入的，用于区别于传统的IO，所以nio也可以称之为new io。
nio的三大核心是Selector,channel和Buffer，本文我们将会深入探究NIO和netty之间的关系。
NIO常用用法在讲解netty中的NIO实现之前，我们先来回顾一下JDK中NIO的selector，channel是怎么工作的。对于NIO来说selector主要用来接受客户端的连接，所以一般用在server端。我们以一个NIO的服务器端和客户端聊天室为例来讲解NIO在JDK中是怎么使用的。
因为是一个简单的聊天室，我们选择Socket协议为基础的ServerSocketChannel,首先就是open这个Server channel:

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("localhost", 9527)); serverSocketChannel.configureBlocking(false);

然后向server channel中注册selector:

Selector selector = Selector.open(); serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

虽然是NIO，但是对于Selector来说，它的select方法是阻塞方法，只有找到匹配的channel之后才会返回，为了多次进行select操作，我们需要在一个while循环里面进行selector的select操作：

while (true) { selector.select(); Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator iter = selectedKeys.iterator(); while (iter.hasNext()) { SelectionKey selectionKey = iter.next(); if (selectionKey.isAcceptable()) { register(selector, serverSocketChannel); } if (selectionKey.isReadable()) { serverResponse(byteBuffer, selectionKey); } iter.remove(); } Thread.sleep(1000); }

selector中会有一些SelectionKey,SelectionKey中有一些表示操作状态的OP Status,根据这个OP Status的不同，selectionKey可以有四种状态，分别是isReadable,isWritable,isConnectable和isAcceptable。
当SelectionKey处于isAcceptable状态的时候，表示ServerSocketChannel可以接受连接了，我们需要调用register方法将serverSocketChannel accept生成的socketChannel注册到selector中，以监听它的OP READ状态，后续可以从中读取数据：

private static void register(Selector selector, ServerSocketChannel serverSocketChannel) throws IOException { SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); }

当selectionKey处于isReadable状态的时候，表示可以从socketChannel中读取数据然后进行处理：

private static void serverResponse(ByteBuffer byteBuffer, SelectionKey selectionKey) throws IOException { SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel(); socketChannel.read(byteBuffer); byteBuffer.flip(); byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()]; byteBuffer.get(bytes); log.info(new String(bytes).trim()); if(new String(bytes).trim().equals(BYE_BYE)){ log.info("说再见不如不见！"); socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("再见".getBytes())); socketChannel.close(); }else { socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("你是个好人".getBytes())); } byteBuffer.clear(); }

上面的serverResponse方法中，从selectionKey中拿到对应的SocketChannel，然后调用SocketChannel的read方法，将channel中的数据读取到byteBuffer中，要想回复消息到channel中，还是使用同一个socketChannel，然后调用write方法回写消息给client端，到这里一个简单的回写客户端消息的server端就完成了。
接下来就是对应的NIO客户端，在NIO客户端需要使用SocketChannel,首先建立和服务器的连接：

socketChannel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("localhost", 9527));

然后就可以使用这个channel来发送和接受消息了：

public String sendMessage(String msg) throws IOException { byteBuffer = ByteBuffer.wrap(msg.getBytes()); String response = null; socketChannel.write(byteBuffer); byteBuffer.clear(); socketChannel.read(byteBuffer); byteBuffer.flip(); byte[] bytes= new byte[byteBuffer.limit()]; byteBuffer.get(bytes); response =new String(bytes).trim(); byteBuffer.clear(); return response; }

向channel中写入消息可以使用write方法，从channel中读取消息可以使用read方法。
这样一个NIO的客户端就完成了。
虽然以上是NIO的server和client的基本使用，但是基本上涵盖了NIO的所有要点。接下来我们来详细了解一下netty中NIO到底是怎么使用的。
NIO和EventLoopGroup 以netty的ServerBootstrap为例，启动的时候需要指定它的group,先来看一下ServerBootstrap的group方法：

public ServerBootstrap group(EventLoopGroup group) { return group(group, group); }public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) { ... }

ServerBootstrap可以接受一个EventLoopGroup或者两个EventLoopGroup，EventLoopGroup被用来处理所有的event和IO，对于ServerBootstrap来说，可以有两个EventLoopGroup，对于Bootstrap来说只有一个EventLoopGroup。两个EventLoopGroup表示acceptor group和worker group。
EventLoopGroup只是一个接口，我们常用的一个实现就是NioEventLoopGroup,如下所示是一个常用的netty服务器端代码：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); b.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) .childHandler(new ChannelInitializer() { @Override public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ch.pipeline().addLast(new FirstServerHandler()); } }) .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // 绑定端口并开始接收连接 ChannelFuture f = b.bind(port).sync(); // 等待server socket关闭 f.channel().closeFuture().sync();

这里和NIO相关的有两个类，分别是NioEventLoopGroup和NioServerSocketChannel，事实上在他们的底层还有两个类似的类分别叫做NioEventLoop和NioSocketChannel，接下来我们分别讲解一些他们的底层实现和逻辑关系。
NioEventLoopGroup NioEventLoopGroup和DefaultEventLoopGroup一样都是继承自MultithreadEventLoopGroup：

public class NioEventLoopGroup extends MultithreadEventLoopGroup

他们的不同之处在于newChild方法的不同，newChild用来构建Group中的实际对象，NioEventLoopGroup来说，newChild返回的是一个NioEventLoop对象，先来看下NioEventLoopGroup的newChild方法：

protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception { SelectorProvider selectorProvider = (SelectorProvider) args[0]; SelectStrategyFactory selectStrategyFactory = (SelectStrategyFactory) args[1]; RejectedExecutionHandler rejectedExecutionHandler = (RejectedExecutionHandler) args[2]; EventLoopTaskQueueFactory taskQueueFactory = null; EventLoopTaskQueueFactory tailTaskQueueFactory = null; int argsLength = args.length; if (argsLength > 3) { taskQueueFactory = (EventLoopTaskQueueFactory) args[3]; } if (argsLength > 4) { tailTaskQueueFactory = (EventLoopTaskQueueFactory) args[4]; } return new NioEventLoop(this, executor, selectorProvider, selectStrategyFactory.newSelectStrategy(), rejectedExecutionHandler, taskQueueFactory, tailTaskQueueFactory); }

这个newChild方法除了固定的executor参数之外，还可以根据NioEventLoopGroup的构造函数传入的参数来实现更多的功能。
这里参数中传入了SelectorProvider、SelectStrategyFactory、RejectedExecutionHandler、taskQueueFactory和tailTaskQueueFactory这几个参数，其中后面的两个EventLoopTaskQueueFactory并不是必须的。
最后所有的参数都会传递给NioEventLoop的构造函数用来构造出一个新的NioEventLoop。
在详细讲解NioEventLoop之前，我们来研读一下传入的这几个参数类型的实际作用。
SelectorProvider SelectorProvider是JDK中的类，它提供了一个静态的provider()方法可以从Property或者ServiceLoader中加载对应的SelectorProvider类并实例化。
另外还提供了openDatagramChannel、openPipe、openSelector、openServerSocketChannel和openSocketChannel等实用的NIO操作方法。
SelectStrategyFactory SelectStrategyFactory是一个接口，里面只定义了一个方法，用来返回SelectStrategy:

public interface SelectStrategyFactory {SelectStrategy newSelectStrategy(); }

什么是SelectStrategy呢？
先看下SelectStrategy中定义了哪些Strategy:

int SELECT = -1; int CONTINUE = -2; int BUSY_WAIT = -3;

SelectStrategy中定义了3个strategy,分别是SELECT、CONTINUE和BUSY_WAIT。
我们知道一般情况下，在NIO中select操作本身是一个阻塞操作，也就是block操作，这个操作对应的strategy是SELECT,也就是select block状态。
如果我们想跳过这个block，重新进入下一个event loop,那么对应的strategy就是CONTINUE。
BUSY_WAIT是一个特殊的strategy，是指IO 循环轮询新事件而不阻塞,这个strategy只有在epoll模式下才支持，NIO和Kqueue模式并不支持这个strategy。
RejectedExecutionHandler RejectedExecutionHandler是netty自己的类，和 java.util.concurrent.RejectedExecutionHandler类似，但是是特别针对SingleThreadEventExecutor来说的。这个接口定义了一个rejected方法，用来表示因为SingleThreadEventExecutor容量限制导致的任务添加失败而被拒绝的情况：

void rejected(Runnable task, SingleThreadEventExecutor executor);

EventLoopTaskQueueFactory EventLoopTaskQueueFactory是一个接口，用来创建存储提交给EventLoop的taskQueue：

Queue newTaskQueue(int maxCapacity);

这个Queue必须是线程安全的，并且继承自java.util.concurrent.BlockingQueue.
讲解完这几个参数，接下来我们就可以详细查看NioEventLoop的具体NIO实现了。
NioEventLoop 首先NioEventLoop和DefaultEventLoop一样，都是继承自SingleThreadEventLoop：

public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop

表示的是使用单一线程来执行任务的EventLoop。
首先作为一个NIO的实现，必须要有selector，在NioEventLoop中定义了两个selector，分别是selector和unwrappedSelector：

private Selector selector; private Selector unwrappedSelector;

在NioEventLoop的构造函数中，他们是这样定义的：

final SelectorTuple selectorTuple = openSelector(); this.selector = selectorTuple.selector; this.unwrappedSelector = selectorTuple.unwrappedSelector;

首先调用openSelector方法，然后通过返回的SelectorTuple来获取对应的selector和unwrappedSelector。
这两个selector有什么区别呢？
在openSelector方法中，首先通过调用provider的openSelector方法返回一个Selector，这个Selector就是unwrappedSelector：

final Selector unwrappedSelector; unwrappedSelector = provider.openSelector();

然后检查DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION是否设置，如果没有设置那么unwrappedSelector和selector实际上是同一个Selector：
DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION表示的是是否对select key set进行优化:

if (DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION) { return new SelectorTuple(unwrappedSelector); }SelectorTuple(Selector unwrappedSelector) { this.unwrappedSelector = unwrappedSelector; this.selector = unwrappedSelector; }

如果DISABLE_KEY_SET_OPTIMIZATION被设置为false，那么意味着我们需要对select key set进行优化，具体是怎么进行优化的呢？
先来看下最后的返回：

return new SelectorTuple(unwrappedSelector, new SelectedSelectionKeySetSelector(unwrappedSelector, selectedKeySet));

最后返回的SelectorTuple第二个参数就是selector，这里的selector是一个SelectedSelectionKeySetSelector对象。
【netty系列之:NIO和netty详解】SelectedSelectionKeySetSelector继承自selector，构造函数传入的第一个参数是一个delegate,所有的Selector中定义的方法都是通过调用
delegate来实现的，不同的是对于select方法来说，会首先调用selectedKeySet的reset方法,下面是以isOpen和select方法为例观察一下代码的实现：

public boolean isOpen() { return delegate.isOpen(); }public int select(long timeout) throws IOException { selectionKeys.reset(); return delegate.select(timeout); }

selectedKeySet是一个SelectedSelectionKeySet对象，是一个set集合，用来存储SelectionKey，在openSelector()方法中，使用new来实例化这个对象：