Android使用Netty使用场景 netty应用场景有哪些

一、Netty介绍

• netty是由jboss提供的一个Java开源框架。
• netty是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以开发高性能、高可靠性的网络io程序。
• netty主要针对tcp协议下，面向客户端的高并发应用，或者peer-to-peer场景下的大量数据持续传输的应用。
• netty的本质是一个NIO框架，适用于服务器通讯相关的多种应用场景。

二、Netty应用场景

2.1 互联网行业

互联网行业：在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 RPC 框架使用。
典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框 架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信。

2.2 游戏行业

无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用。
Netty 作为高性能的基础通信组件，提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈，方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器。
地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。

2.3大数据领域

经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信。
它的 NettyService 基于 Netty 框架二次封装实现。

三、Java BIO编程

3.1 IO模型

3.1.1 IO模型基本说明

就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。

• Java BIO：同步并阻塞（传统阻塞型），服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。
• Java NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求就进行处理。
• Java AIO(NIO.2)：异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

3.1.2 BIO、NIO、AIO 使用场景分析

• BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4 以前的唯一选择，但程序简单易理解。
• NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。
• AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。

3.2 Java BIO

3.2.1 介绍

java BIO 就是传统的 Java I/O 编程，其相关的类和接口在 java.io。

BIO 编程流程的梳理

• 服务器端启动一个 ServerSocket。
• 客户端启动 Socket 对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每个客户建立一个线程与之通讯。
• 客户端发出请求后，先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝。
• 如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行。

3.2.2 应用实例

• 使用 BIO 模型编写一个服务器端，监听 6666 端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通讯。
• 要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。
• 服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet 方式即可）。

package com.mace.bio;

import jdk.internal.org.objectweb.asm.tree.TryCatchBlockNode;

import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * @Author zhangxuhui
 * @Date 2022/4/18
 * @email [e-mail]
 * 使用 BIO 模型编写一个服务器端，监听 6666 端口，当有客户端连接时，就启动一个线程与之通讯。
 * 要求使用线程池机制改善，可以连接多个客户端。
 * 服务器端可以接收客户端发送的数据（telnet 方式即可）。
 */
public class JavaBIO {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //创建线程池
        ExecutorService threadpool = Executors.newCachedThreadPool();

        //创建服务端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9090);
        System.out.println("服务器启动。。。");
        while (true){
            System.out.println("等待连接。。。");
            final Socket socket = serverSocket.accept();
            threadpool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    handler(socket);
                }
            });
        }


    }

    private static void handler(Socket socket) {
        try{
            byte[] bytes = new byte[1024];
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            while (true){
                System.out.println("等待消息");
                int len = inputStream.read(bytes);
                if(len != -1){
                    System.out.println(new String(bytes,0,len)+"--》"+Thread.currentThread().getName());
                }else{
                    break;
                }
            }
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally{
            try{
                socket.close();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3.2.3 问题分析

• 每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据 Read，业务处理，数据 Write。
• 当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
• 连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

四、Java NIO编程

4.1 NIO介绍

• Java NIO 全称 Java non-blocking IO，是指 JDK 提供的新 API。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO（即 NewIO），是同步非阻塞的。
• NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。
• NIO 有三大核心部分：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。
• NIO 是面向缓冲区，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络。
• Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。
• 通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况，可以分配 50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个。
• HTTP 2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP 1.1 大了好几个数量级。

package com.mace.nio;

import java.nio.IntBuffer;

/**
 * @Author zhangxuhui
 * @Date 2022/4/19
 * @email [e-mail]
 */
public class BasicBuffer {
    public static void main(String[] args) {
        //创建缓冲
        IntBuffer ib = IntBuffer.allocate(4);
        for(int i = 0 ; i < ib.capacity();i++){
            ib.put(i * 2);
        }
        //标记转换
        ib.flip();

        while (ib.hasRemaining()){
            System.out.println(ib.get());
        }

    }
}

4.2 BIO与NIO比较

• BIO 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据，块 I/O 的效率比流 I/O 高很多。
• BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的。
• BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel（通道）和 Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector（选择器）用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。
• Buffer和Channel之间的数据流向是双向的。

4.3 NIO 三大核心原理

• 每个 Channel 都会对应一个 Buffer。
• Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 Channel（连接）。
• 该图反应了有三个 Channel 注册到该 Selector //程序
• 程序切换到哪个 Channel 是由事件决定的，Event 就是一个重要的概念。
• Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。
• Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组。
• 数据的读取写入是通过 Buffer，这个和 BIO是不同的，BIO 中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是 NIO 的 Buffer 是可以读也可以写，需要 flip 方法切换 Channel 是双向的，可以返回底层操作系统的情况，比如 Linux，底层的操作系统通道就是双向的。

4.4 缓冲区（Buffer）

4.4.1基本介绍

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象（含数组），该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。

4.4.2Buffer 类及其子类

在 NIO 中，Buffer 是一个顶层父类，它是一个抽象类，类的层级关系图：

ByteBuffer 字节数据缓冲区。。。。。

Buffer 类定义了所有的缓冲区都具有的四个属性来提供关于其所包含的数据元素的信息：

Buffer 类相关方法一览

4.4.3 ByteBuffer

最常用的自然是 ByteBuffer 类（二进制数据）

4.5 通道（Channel）

4.5.1基本介绍

• NIO 的通道类似于流，但有些区别如下：通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写；通道可以实现异步读写数据；通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲。
• BIO 中的 Stream 是单向的，例如 FileInputStream 对象只能进行读取数据的操作，而 NIO 中的通道（Channel）是双向的，可以读操作，也可以写操作。
• Channel 在 NIO 中是一个接口 public interface Channel extends Closeable{}
• 常用的 Channel 类有：FileChannel、DatagramChannel、ServerSocketChannel 和 SocketChannel。【ServerSocketChanne 类似 ServerSocket、SocketChannel 类似 Socket】
• FileChannel 用于文件的数据读写，DatagramChannel 用于 UDP 的数据读写，ServerSocketChannel 和 SocketChannel 用于 TCP 的数据读写。

4.5.2 FileChannel 类

• public int read(ByteBuffer dst)，从通道读取数据并放到缓冲区中
• public int write(ByteBuffer src)，把缓冲区的数据写到通道中
• public long transferFrom(ReadableByteChannel src, long position, long count)，从目标通道中复制数据到当前通道
• public long transferTo(long position, long count, WritableByteChannel target)，把数据从当前通道复制给目标通道

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * 使用NIO复制文件
 */
public class NIOCopyFile {
    public static void main(String[] args) throws  Exception {
        FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("m.jpeg"));
        FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("mm.jpeg"));

        FileChannel fischannel = fis.getChannel();
        FileChannel fosChannel = fos.getChannel();

        fosChannel.transferFrom(fischannel,0,fischannel.size());
        System.out.println("复制成功！");
    }
}

4.5.3 关于 Buffer 和 Channel 的注意事项和细节

• ByteBuffer 支持类型化的 put 和 get，put 放入的是什么数据类型，get 就应该使用相应的数据类型来取出，否则可能有 BufferUnderflowException 异常。
• 可以将一个普通 Buffer 转成只读 Buffer
• NIO 还提供了 MappedByteBuffer，可以让文件直接在内存（堆外的内存）中进行修改，而如何同步到文件由 NIO 来完成。

4.6 Selector（选择器)

4.6.1 基本介绍

• Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到 Selector（选择器）。
• Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生（注意：多个 Channel 以事件的方式可以注册到同一个 Selector），如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
• 只有在连接/通道真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程。
• 避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。
  说明如下：
• Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 聚合了 Selector（选择器，也叫多路复用器），可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
• 当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
• 线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
• 由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
• 一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

4.6.2 Selector 类相关方法

• selector.select(); //阻塞
• selector.select(1000); //阻塞 1000 毫秒，在 1000 毫秒后返回
• selector.wakeup(); //唤醒 selector
• selector.selectNow(); //不阻塞，立马返还

4.6.3 NIO 非阻塞网络编程原理分析图

• 当客户端连接时，会通过 ServerSocketChannel 得到SocketChannel。
• Selector 进行监听 select 方法，返回有事件发生的通道的个数。
  将 socketChannel 注册到 Selector 上，register(Selector sel, int ops)，一个 Selector 上可以注册多个 SocketChannel。
• 注册后返回一个 SelectionKey，会和该 Selector 关联（集合）。
• 进一步得到各个 SelectionKey（有事件发生）。
• 在通过 SelectionKey 反向获取 SocketChannel，方法 channel()。
  可以通过得到的 channel，完成业务处理。

4.6.4 NIO 非阻塞网络编程快速入门

package com.atguigu.nio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        //创建ServerSocketChannel -> ServerSocket

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

        //得到一个Selecor对象
        Selector selector = Selector.open();

        //绑定一个端口6666, 在服务器端监听
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));
        //设置为非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);

        //把 serverSocketChannel 注册到  selector 关心 事件为 OP_ACCEPT       pos_1
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        System.out.println("注册后的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); // 1



        //循环等待客户端连接
        while (true) {

            //这里我们等待1秒，如果没有事件发生, 返回
            if(selector.select(1000) == 0) { //没有事件发生
                System.out.println("服务器等待了1秒，无连接");
                continue;
            }

            //如果返回的>0, 就获取到相关的 selectionKey集合
            //1.如果返回的>0， 表示已经获取到关注的事件
            //2. selector.selectedKeys() 返回关注事件的集合
            //   通过 selectionKeys 反向获取通道
            Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
            System.out.println("selectionKeys 数量 = " + selectionKeys.size());

            //遍历 Set<SelectionKey>, 使用迭代器遍历
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectionKeys.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
                //获取到SelectionKey
                SelectionKey key = keyIterator.next();
                //根据key 对应的通道发生的事件做相应处理
                if(key.isAcceptable()) { //如果是 OP_ACCEPT, 有新的客户端连接
                    //该该客户端生成一个 SocketChannel
                    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                    System.out.println("客户端连接成功 生成了一个 socketChannel " + socketChannel.hashCode());
                    //将  SocketChannel 设置为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //将socketChannel 注册到selector, 关注事件为 OP_READ， 同时给socketChannel
                    //关联一个Buffer
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));

                    System.out.println("客户端连接后 ，注册的selectionkey 数量=" + selector.keys().size()); //2,3,4..


                }
                if(key.isReadable()) {  //发生 OP_READ

                    //通过key 反向获取到对应channel
                    SocketChannel channel = (SocketChannel)key.channel();

                    //获取到该channel关联的buffer
                    ByteBuffer buffer = (ByteBuffer)key.attachment();
                    channel.read(buffer);
                    System.out.println("form 客户端 " + new String(buffer.array()));

                }

                //手动从集合中移动当前的selectionKey, 防止重复操作
                keyIterator.remove();

            }

        }

    }
}

package com.atguigu.nio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;

public class NIOClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception{

        //得到一个网络通道
        SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
        //设置非阻塞
        socketChannel.configureBlocking(false);
        //提供服务器端的ip 和 端口
        InetSocketAddress inetSocketAddress = new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666);
        //连接服务器
        if (!socketChannel.connect(inetSocketAddress)) {

            while (!socketChannel.finishConnect()) {
                System.out.println("因为连接需要时间，客户端不会阻塞，可以做其它工作..");
            }
        }

        //...如果连接成功，就发送数据
        String str = "hello, 尚硅谷~";
        //Wraps a byte array into a buffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(str.getBytes());
        //发送数据，将 buffer 数据写入 channel
        socketChannel.write(buffer);
        System.in.read();

    }
}

4.6.5 SelectionKey

SelectionKey，表示 Selector 和网络通道的注册关系

• int OP_ACCEPT：有新的网络连接可以 accept，值为 16
• int OP_CONNECT：代表连接已经建立，值为 8
• int OP_READ：代表读操作，值为 1
• int OP_WRITE：代表写操作，值为 4

public static final int OP_READ = 1 << 0;
public static final int OP_WRITE = 1 << 2;
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3;
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4;

4.6.6 ServerSocketChannel

ServerSocketChannel 在服务器端监听新的客户端 Socket 连接，负责监听，不负责实际的读写操作

4.6.7 SocketChannel

SocketChannel，网络 IO 通道，具体负责进行读写操作。NIO 把缓冲区的数据写入通道，或者把通道里的数据读到缓冲区。

五、NIO网络编程应用实例 - 群聊系统