【Netty】Socket与I/O模型

Socket网络编程

Socket概述

Socket，套接字就是两台主机之间逻辑连接的端点。TCP/IP协议是传输层协议，主要解决数据如何在网络中传输，而HTTP是应用层协议，主要解决如何包装数据。Socket是通信的基石，是支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。它是网络通信过程中端点的抽象表示，包含进行网络通信必须的五种息：连接使用的协议、本地主机的IP地址、本地进程的协议端口、远程主机的IP地址、远程进程的协议端口。

Socket整体流程

Socket编程主要涉及到客户端和服务端两个方面，首先是在服务器端创建一个服务器套接字（ServerSocket），并把它附加到一个端口上，服务器从这个端口监听连接。端口号的范围是0到65536，但是0到1024是为特权服务保留的端口号，可以选择任意一个当前没有被其他进程使用的端口。

客户端请求与服务器进行连接的时候，根据服务器的域名或者IP地址，加上端口号，打开一个套接字。当服务器接受连接后，服务器和客户端之间的通信就像输入输出流一样进行操作。

代码实现

1. 服务端代码

package com.cys.server;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;


public class ServerDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.创建一个线程池,如果有客户端连接就创建一个线程, 与之通信
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //2.创建 ServerSocket 对象
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
        System.out.println("服务器已启动");
        while (true) {
            //3.监听客户端
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("有客户端连接");
            //4.开启新的线程处理
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    handle(socket);
                }
            });

        }

    }

    /**
     * 处理客户端发来的数据
     *
     * @param socket
     */
    public static void handle(Socket socket) {
        try {
            System.out.println("线程ID:" + Thread.currentThread().getId() + " 线程名称:" + Thread.currentThread().getName());
            //从连接中取出输入流来接收消息
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            byte[] bytes = new byte[1024];
            int read = inputStream.read(bytes);
            System.out.println("客户端:" + new String(bytes, 0, read));
            //连接中取出输出流并回话
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            outputStream.write("收到了".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            //关闭连接
            try {
                socket.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2. 客户端代码

package com.cys.server;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.util.Scanner;

/**
 * @author Ethan
 * @date 2023/12/5
 * @description
 */
public class ClientDemo {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while (true) {
            //1.创建 Socket 对象
            Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
            //2.从连接中取出输出流并发消息
            OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
            System.out.println("请输入:");
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            String msg = sc.nextLine();
            outputStream.write(msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            //3.从连接中取出输入流并接收回话
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            byte[] b = new byte[1024];
            int read = inputStream.read(b);
            System.out.println("服务端:" + new String(b, 0, read).trim());
            //4.关闭
            socket.close();
        }
    }
}

先启动服务端，再启动客户端，输入数据，即可。

I/O模型

说明

I/O 模型简单的理解：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 共支持 3 种网络编程模型/IO 模式：BIO(同步并阻塞)、NIO(同步非阻塞)、AIO(异步非阻塞)

分类维度有阻塞与非阻塞、同步和异步。

1. 阻塞与非阻塞

主要指的是访问IO的线程是否会阻塞（或处于等待）。线程访问资源，该资源是否准备就绪的一种处理方式。

2. 同步和异步

主要是指的数据的请求方式。同步和异步是指访问数据的一种机制。

BIO(同步并阻塞)

Java BIO就是传统的 socket编程。

同步阻塞，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，可以通过线程池机制改善(实现多个客户连接服务器)。

工作机制

生活中的例子：

BIO问题分析

1. 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
2. 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
3. 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

NIO(同步非阻塞)

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。

生活中的例子:

AIO(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

Proactor 模式是一个消息异步通知的设计模式，Proactor 通知的不是就绪事件，而是操作完成事件，这也就是操作系统异步 IO 的主要模型。

生活中的例子:

BIO、NIO、AIO适用场景

1. BIO(同步并阻塞) 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

2. NIO(同步非阻塞) 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

3. AIO(异步非阻塞) 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。