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Netty 系列笔记之三种 IO 模式
一、引言
在网络编程中，我们经常听到各种各样的名词：阻塞、非阻塞、异步、同步。这些，都是 IO 模式的特征。本篇说明了 IO 三种模式，以及简单提及了 NIO 的三大核心组件。
二、IO 模式的特征
1、阻塞与非阻塞
- 阻塞：数据没有传过来时，读会一直阻塞直到有数据传过来；当缓冲区被写满时，写操作也被阻塞。
- 非阻塞：非阻塞遇到上述情况时，直接返回，不会等待。
2、同步与异步
- 同步：数据就绪后需要自己读。
- 异步：数据就绪后直接读好再回调给程序。
三、IO 三种模式
| 名称 | 模式 | 备注 |
|---|---|---|
| BIO | 同步阻塞 | Blocking IO，始于 JDK 1.4 之前 |
| NIO | 同步非阻塞 | New IO 或 Non Blocking IO，始于 JDK 1.4 |
| AIO | 异步 | Async IO |
四、Netty 对三种 IO 模式的支持
| NIO | ||||
|---|---|---|---|---|
| Common | Linux | MacOS/BSD | ||
| ThreadPerChannelEventLoopGroup | NioEventLoopGroup | EpollEventLoopGroup | KQueueEventLoopGroup | AioEventLoopGroup |
| ThreadPerChannelEventLoop | NioEventLoop | EpollEventLoop | KQueueEventLoop | AioEventLoop |
| OioServerSocketChannel | NioServerSocketChannel | EpollServerSocketChannel | KQueueServerSocketChannel | AioServerSocketChannel |
| OioSocketChannel | NioSocketChannel | EpollSocketChannel | KQueueSocketChannel | AioSocketChannel |
由上面的表格可以看到 Netty 对于三种 IO 都是支持的，严谨的说是曾经支持过。
1、为什么 Netty 仅支持 NIO 了？
-
BIO 在 Netty 中称 OIO，即 old IO 。我们知道在连接数多的情况下，阻塞意味着性能低，耗资源，所以 OIO 在 Netty 中已经不推荐使用了。
-
AIO 其实在 Netty 5 版本中已经做好支持了，后来在官网发布后一段时间又删除了。究其原因如下：
- Windows 系统的 AIO 实现已经非常成熟了，但是很少用来做服务器。
- Linux 常用来做服务器，但是 AIO 实现不够成熟。
- Linux 系统下 AIO 相比较 NIO 性能提示不明显。
- 更多的维护成本。
2、为什么 Netty 有多种 NIO 实现？
NIO 有一个 Common 实现，针对不同的平台又有其相应的实现。通用的 NIO 实现在 Linux 下也是使用 epoll ，那么既然有了 Common 实现，为什么还要做不同的平台实现呢？
- JDK 在不同的平台有不同的版本，Netty 如此设计也是基于同样的考虑，相比之下 Netty 暴露了更多的可控参数，例如 JDK 的 NIO 实现默认是水平触发，Netty 默认边缘触发并和水平触发可切换。
- Netty 实现垃圾回收更少，性能更好
❤ tips：关于 epoll 的水平触发和边缘触发。
在 Linux 的网络编程中，内核使用 epoll 机制做事件触发，其中 epoll_wait 函数是 epoll 接口的三个函数之一，用于轮询I/O事件的发生。
水平触发通俗来讲：只要有数据，epoll_wait 函数就一直返回；边缘触发通俗来讲：只有 socket 状态发生变化，epoll_wait 函数才会返回。
关于 epoll 的更多，小伙伴若感兴趣可自行谷歌了解。
3、NIO 一定优于 BIO 吗？
相比较 NIO 而言，BIO 的代码实现简单，在特定连接数并发数少的场景下，BIO 的性能不输于 NIO 。
基于以上，学习 Netty 我们必须对 Java 的 NIO 有一定的基础，所以后面一些篇幅是对 Java 的 NIO 知识做一个回顾，即下面讲的 NIO 基于 Java 本身，与 Netty 无关，请小伙伴注意。
五、Java NIO 核心组件
NIO 由三大核心组件组成：
- Channel
- Buffer
- Selector
传统 IO 基于流（Stream）操作，面向字节流或字符流。NIO 与之最大的不同就是基于 Channel 和 Buffer 操作，面向缓冲区。NIO 通过缓冲区可以读取任意位置的数据，相比传统 IO 灵活性大大增强，同时也不会阻塞当前线程。
1、Channel
不同于传统 IO 的流，读写需要使用不同的输入输出流，Channel 是双向的。这意味着它既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作。
NIO中的Channel的主要实现有：
- FileChannel
- DatagramChannel
- SocketChannel
- ServerSocketChannel
2、Buffer
Buffer 是缓冲区，本质上是一块内存区域。NIO 中的关键 Buffer 实现有：ByteBuffer, CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer, LongBuffer, ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte, char, double, float, int, long, short。以及 MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer 等等。
3、Selector
一个 Selector 可以注册多个 Channel ，Selector 不断地执行查询并判断这些 Channel 是否存在已就绪的 IO 操作，如可读，可写，网络连接已完成等。通过这样的机制，单线程下一个 Selector 就可以管理多个 Channel 了。
六、结语
本篇介绍了三种 IO 模式，以及 Netty 关于三种模式的一些问题讨论，并在结尾简单列举了 NIO 的核心组件，接下来我们将详细的了解 NIO 的核心组件，并学会如何使用它们。
