NIO原理剖析与Netty初步----浅谈高性能服务器开发（一）

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    在博主不长的工作经历中，NIO用的并不多，由于使用原生的Java NIO编程的复杂性，大多数时候我们会选择Netty，mina等开源框架，但理解NIO的原理就不重要了吗？恰恰相反，理解NIO底层机制是理解这一切的基础，由此我总结一下当初学习NIO时的笔记，以便后续复习。

     以下是我理解的Java原生NIO开发大致流程:

    

       上图大致描述的是服务端的NIO操作。

第一步，绑定一个服务的端口

       这与传统阻塞IO中的ServerSocket类似，没什么好说的

第二步，打开通道管理器Selector并在Selector上注册一个事件

      当注册的事件发生时，Selector.select()会返回，否则一直阻塞。这一步很有意思，也是NIO第一个与传统IO不同的地方，NIO通过一个Selector线程可以管理大量客户端连接，反之传统IO一个客户端连接进来必须创建一个新的线程为它服务(当然你可以使用连接池)，我们知道线程对服务端来说是十分宝贵的资源，一个服务端进程所包含的线程是有   限的；此外，每个线程会占用一定的内存空间，过多的线程可能导致内存溢出，这种情况下你可能会到想对虚拟机进行调优，比如通过修改参数-Xss限制单个线程大小，但这又可   能导致StackOverFlow；另外，线程调度需要切换上下文，对于操作系统，它需要通过TCB(线程控制块)来对线程进行调度，过多的上下文切换浪费了CPU时间，降低了系统效     率。

第三步，轮循访问Selector，当注册的事件到达时，方法返回

   下面的代码可以看到，方法整体是一个死循环，轮询访问Selector，发生某些已经注册在Selector上的事件时，该方法返回。可以通过selector.selectedKeys获取发生的事件，

该方法返回的是一个泛型集合Set<SelectionKey>，遍历这个集合与遍历普通集合没有什么不同，这里我们通过迭代器迭代的原因是我们需要删除已经处理的Key，避免重复处理：

public void listen() throws IOException {// 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
            selector.select();
            // 获得selector中选中的项的迭代器，选中的项为注册的事件
            Iterator<?> 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();
　　　　　　　　　//这里可以写我们自己的处理逻辑
                handle(key);
            }
        }
}

   在第二步时，已经在Selector上注册了Accept事件，当这里的selector.select()返回时，代表客户端已经可以连接了，在handle方法里可以处理这个事件：

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    // 客户端请求连接事件
    if (key.isAcceptable()){
      //从Key里可以很方便的取到注册这个事件的Channel

        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);

        logger.info("客户端已经连接！");

        //客户端连接在通道管理器Selector上注册读事件

        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);

    }
}

    上面的代码很简单，我们通过key获取到注册它的那个Channel，在这里是ServerSocketChannel，通过server.accept()获取客户端连接，这里同样可以类比到传统的阻塞

IO，在阻塞IO中我们可以通过ServerSocket.accept获取到socket，唯一不同的是，阻塞IO中的accept方法是阻塞操作，而NIO中是非阻塞的。

    当然，仅仅是连接到客户端并没有什么用处，服务端需要有读写数据的能力，比如你可以用NIO实现一个Http服务器(当然最佳实践使用Netty等框架)。所以我们需要在Selector

上注册读事件，同样，当读事件发生时，执行我们自己的业务逻辑。下面是修改后的代码：

public void handle(SelectionKey key) throws IOException {
    if (key.isAcceptable()){
        ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
        SocketChannel channel = server.accept();
        channel.configureBlocking(false);
        logger.info("客户端已经连接！");
        channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ);
    } else if(key.isReadable()){
        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
        // 创建读取缓冲
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        //读取到Buffer中
        int read = channel.read(buffer);
        if(read > 0){
            byte[] data = buffer.array();
            String msg = new String(data).trim();
            logger.info("receive msg: {}",msg)
            
            //回写数据
            ByteBuffer outBuffer = ByteBuffer.wrap("OK".getBytes());
            channel.write(outBuffer);
        }else{
            logger.info("client closed!!!");
            key.cancel();
        }
    }
} 

总结

     本文大致讲述了使用NIO进行服务器端开发的大致流程，但代码显然仍然存在问题，其一是我们只使用了一个线程执行所有操作，包括接收客户端连接，读取数据，返回数据，对于这个简单的Demo来说已经足够了，但在实际的服务器开发中，例如你想使用NIO开发自己的HTTP服务器，服务器本地需要做大量操作，包括解析用户请求，根据请求路由到某一个Action执行业务逻辑，这其中又很可能某些数据从数据库读取，渲染模板等操作，十分耗时，这无疑又称为系统的瓶颈，再者，使用单一线程不能充分利用多核CPU提供的计算能力。下一篇中会看到，在基于Reactor模型的Netty中，会使用一个Boss线程接收客户端请求，使用多个Worker线程执行具体的业务逻辑。