Transport 详解
1. 概述
在网络中传递的数据总是具有相同的类型：字节。 这些字节流动的细节取决于网络传输，它是一个帮我们抽象底层数据传输机制的概念，我们不需要关心字节流动的细节，只需要确保字节被可靠的接收和发送。
当我们使用 Java 网络编程时，可能会接触到多种不同的网络 IO 模型，如 NIO，BIO (OIO: Old IO)，AIO 等，我们可能因为使用这些不同的 API 而遇到问题。 Netty 则为这些不同的 IO 模型实现了一个通用的 API，我们使用这个通用的 API 比直接使用 JDK 提供的 API 要简单的多，且避免了由于使用不同 API 而带来的问题，大大提高了代码的可读性。 在传输这一部分，我们将主要学习这个通用的 API，以及它与 JDK 之间的对比。
2. 传输 API — Channel
① 概述
传输 API 的核心是 Channel 接口 (io.netty.Channel，而非 java nio 的 Channel) ，它被用于所有的 IO 操作。
Channel 结构层次：
每个Channel都会被分配一个ChannelPipeline和ChannelConfig：
-
ChannelConfig包含了该Channel的所有配置，并允许在运行期间更新它们。 -
ChannelPipeline存储了所有用于处理出站和入站数据的ChannelHandler， 我们可以在运行时根据自己的需求添加或删除ChannelPipeline中的ChannelHandler。
此外，Channel 还有以下方法值得留意：
| 方法名 | 描述 |
|---|---|
eventLoop |
返回当前Channel注册到的EventLoop |
pipeline |
返回分配给Channel的ChannelPipeline |
isActive |
判断当前Channel是活动的，如果是则返回true。 此处活动的意义依赖于底层的传输，如果底层传输是TCP Socket，那么客户端与服务端保持连接便是活动的；如果底层传输是UDP Datagram，那么Datagram传输被打开就是活动的。 |
localAddress |
返回本地SocketAddress |
remoteAddress |
返回远程的SocketAddress |
write |
将数据写入远程主机，数据将会通过ChannelPipeline传输 |
flush |
将之前写入的数据刷新到底层传输 |
writeFlush |
等同于调用 write 写入数据后再调用 flush 刷新数据 |
举个例子：写数据到远程已连接客户端可以调用 Channel.write() 方法，如下代码：
Channel channel = ....; // 获取 channel 的引用
// 创建 ByteBuf 保存写的数据
ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("your data", CharsetUtil.UTF_8);
// 写数据，并刷新
ChannelFuture cf = channel.writeAndFlush(buf);
// 添加 ChannelFutureListener 监听，即可在写操作完成后收到通知，
cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) {
if (future.isSuccess()) { // 写操作顺利完成
System.out.println("Write successful");
} else { // 写操作完成时出现错误
System.err.println("Write error");
future.cause().printStackTrace();
}
}
});
Channel 是线程安全(thread-safe)的，它可以被多个不同的线程安全的操作，在多线程环境下，所有的方法都是安全的。正因为 Channel 是安全的，我们存储对Channel的引用，并在学习的时候使用它写入数据到远程已连接的客户端，使用多线程也是如此。下面的代码是一个简单的多线程例子：
final Channel channel = ...; // 获取channel的引用
// 创建一个 ByteBuf 保存写的数据
final ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("your data", CharsetUtil.UTF_8).retain();
// 创建 Runnable 用于写数据到 channel
Runnable writer = new Runnable() {
@Override
public void run() {
channel.writeAndFlush(buf.duplicate());
}
};
// 获取 Executor 的引用使用线程来执行任务
Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
// 写进一个线程
executor.execute(writer);
//写进另外一个线程
executor.execute(writer);
② 直观感受 Netty 统一的传输 API
Netty 使用相同的 API 来实现每个传输，它并不关心你使用什么来实现。Netty 通过操作接口 Channel 、ChannelPipeline 和 ChannelHandler来实现。
下面我们通过直观的例子来感受下，Netty 只需要简单的修改就可以将 BIO 改为 NIO。
Ⅰ Netty BIO 版本
下面代码是使用 Netty 作为网络框架编写的一个阻塞 IO 例子：
public class NettyOioServer {
public void server(int port) throws Exception {
final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
EventLoopGroup group = new OioEventLoopGroup();
try {
// 创建一个引导类 ServerBootstrap
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(group)
// 使用 OioEventLoopGroup 允许阻塞模式（Old-IO 即 BIO）
.channel(OioServerSocketChannel.class)
.localAddress(new InetSocketAddress(port))
// 指定 ChannelInitializer 将给每个接受的连接调用
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
// 添加 ChannelHandler 拦截事件，并允许他们作出反应
ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception{
// 写信息到客户端，并添加监听：一旦消息写入就关闭连接
ctx.writeAndFlush(buf.duplicate()).
addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
});
}
});
// 绑定服务器来接受连接
ChannelFuture f = b.bind().sync();
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// 释放所有资源
group.shutdownGracefully().sync();
}
}
}
下面代码是使用 Netty NIO 实现 ：
Ⅱ Netty NIO 版本
下面是 Netty NIO 的代码， 只是将 OioEventLoopGroup 变成了 NioEventLoopGroup，将 OioServerSocketChannel 变成了 NioServerSocketChannel，就从 BIO (OIO) 传输 切换到了 NIO。
public class NettyNioServer {
public void server(int port) throws Exception {
final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
// 创建一个引导类 ServerBootstrap
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
// 使用 NioEventLoopGroup 允许NIO模式
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.localAddress(new InetSocketAddress(port))
// 指定 ChannelInitializer 将给每个接受的连接调用
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch)
throws Exception {
// 添加 ChannelHandler 拦截事件，并允许他们作出反应
ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception{
// 写信息到客户端，并添加监听：一旦消息写入就关闭连接
ctx.writeAndFlush(buf.duplicate())
.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
});
}
});
// 绑定服务器来接受连接
ChannelFuture f = b.bind().sync();
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// 释放所有资源
group.shutdownGracefully().sync();
}
}
}
3. Netty 自带的传输方式/协议
Netty 自带了一些传输协议的实现，虽然没有支持所有的传输协议，但是其自带的已足够我们来使用。Netty 应用程序的传输协议依赖于底层协议。
Netty内置Channel接口层次：
Netty 中的传输方式有如下几种：
| 名称 | 包 | 描述 |
|---|---|---|
| NIO | io.netty.channel.socket.nio | NioChannel基于java.nio.channels，其io模型为IO多路复用 |
| Epoll | io.netty.channel.epoll | EpollChannel基于操作系统的epoll函数，其io模型为IO多路复用，不过Epoll模型只支持在Linux上的多种特性，比NIO性能更好 |
| KQueue | io.netty.channel.kqueue | KQueue 与 Epoll 相似，它主要被用于 FreeBSD 系统上，如Mac等 |
| OIO(Old Io) | io.netty.channel.socket.oio | OioChannel基于 java.net 包，其 io 模型是阻塞的，且此传输被 Netty 标记为 deprecated，故不推荐使用，最好使用 NIO / EPOLL / KQUEUE 等传输 |
| Local | io.netty.channel.local | LocalChannel 可以在 JVM 虚拟机内部进行本地通信 |
| Embedded | io.netty.channel.embedded | EmbeddedChannel允许在没有真正的网络传输中使用ChannelHandler，可以非常有用的测试 ChannelHandler |
4. 零拷贝
① 什么是零拷贝
零拷贝(Zero-Copy)是一种目前只有在使用NIO和Epoll传输时才可使用的特性。 在之前的 IO 模型中，所有的 IO 的数据都是从内核复制到用户应用进程，再由用户应用进程处理。 而零拷贝则可以快速地将数据从源文件移动到目标文件，无需经过用户空间。
在学习零拷贝技术之前先回顾一下普通的 IO 拷贝过程吧， 这里举个栗子： 我要使用一个程序将一个目录下的文件复制到另一个目录下， 在普通的 IO 中，其过程如下：
- 应用程序启动后，向内核发出
read调用（用户态切换到内核态） - 操作系统收到调用请求后， 会检查文件是否已经缓存过了：
- 如果缓存过了，就将数据从缓冲区（直接内存）拷贝到用户应用进程（内核态切换到用户态）
- 如果是第一次访问这个文件，则系统先将数据先拷贝到缓冲区（直接内存），然后CPU将数据从缓冲区拷贝到应用进程内（内核态切换到用户态）
- 应用进程收到内核的数据后发起
write调用，将数据拷贝到目标文件相关的堆栈内存（用户态切换到内核态）， 最后再从缓存拷贝到目标文件。
根据上面普通拷贝的过程我们知道了其缺点主要有：
- 用户态与内核态之间的上下文切换次数较多（用户态发送系统调用与内核态将数据拷贝到用户空间）。
- 拷贝次数较多，每次 IO 都需要 DMA 和 CPU 拷贝。
而零拷贝正是针对普通拷贝的缺点做了很大改进，使得其拷贝速度在处理大数据的时候很是出色。
② 如何实现零拷贝
零拷贝主要有两种实现技术：
- 内存映射
- 文件传输
Ⅰ 内存映射 Memory Mapped
内存映射对应 JAVA NIO 的 API 为 FileChannel.map。
当用户程序发起 mmp 系统调用后，操作系统会将文件的数据直接映射到内核缓冲区中， 且缓冲区会与用户空间共享这一块内存，这样就无需将数据从内核拷贝到用户空间了，用户程序接着发起 write 调用，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到目标文件的缓冲区，最后再将数据从缓冲区拷贝到目标文件。
其过程如下：
内存映射由原来的四次拷贝减少到了三次，且拷贝过程都在内核空间，这在很大程度上提高了 IO 效率。
但是 mmp 也有缺点： 当我们使用 mmp 调用映射一个文件到内存后，如果另一个进程同时对这个文件阶段或是做出写的操作， 那么系统如果此时正在将数据 write 到目标文件，用户程序可能会因为访问非法地址而产生一个错误的信号从而终止。
试想一种情况：我们的服务器接收一个客户端的下载请求，客户端请求的是一个超大的文件，服务端开启一个线程 使用 mmp 和 write 将文件拷贝到 Socket 进行响应，如果此时又有一个客户端请求对这个文件做出修改， 由于这个文件先前已经被第一个线程 mmp 了，可能第一个线程会因此出现异常，客户端也会请求失败。
解决这个问题的最简单的一种方法就对这个文件加读写锁，当一个线程对这个文件进行读或写时，其他线程不能操作此文件， 不过这样处理并发的能力可能就大打折扣了。
import io.netty.channel.EventLoop;
import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
/**
* @description 零拷贝测试
*/
public class ZeroCopyTest{
public static void main(String[] args) throws Exception{
mmp();
}
/**
* mmp 测试
*/
public static void mmp() throws IOException{
// 读文件通道
FileChannel fileChannelIn = FileChannel.open(Path.of("/home/images/SC01C25.jpg"), StandardOpenOption.READ);
// 写文件通道
FileChannel fileChannelTo = FileChannel.open(Path.of("/home/images/a.jpg"),StandardOpenOption.WRITE);
// 内存映射
MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannelIn.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fileChannelIn.size());
fileChannelTo.write(mappedByteBuffer);
// 如果是处理网络请求
// SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
// SocketChannel.write(mappedByteBuffer);
fileChannelIn.close();
fileChannelTo.close();
}
}
Ⅱ 文件传输 Send File
文件传输对应 JAVA NIO 的 API 为 FileChannel.transferFrom/transferTo
在了解文件传输之前，先来看一下它的函数原型（linux 系统的同学可以使用 man sendfile 查看）：
#include<sys/sendfile.h>
ssize_t
sendfile(int out_fd,
int in_fd,
off_t *offset,
size_t count);
sendfile 在代表输入文件的文件描述符 in_fd 和 输出文件的文件描述符 out_fd 之间传输文件内容， 这个传输过程完全是在内核之中进行的，程序只需要把输入文件的描述符和输出文件的描述符传递给 sendfile 调用，系统自然会完成拷贝。 当然，sendfile 和 mmp 一样都有相同的缺点，在传输过程中， 如果有其他进程截断了这个文件的话，用户程序仍然会被终止。
sendfile 传输过程如下：
它的拷贝次数与 mmp 一样，但是 sendfile 的拷贝过程只在内核空间进行，无需像 mmp 一样与用户进程共享内存。
import java.io.IOException;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.StandardOpenOption;
/**
* @description 零拷贝测试
*/
public class ZeroCopyTest{
public static void main(String[] args) throws Exception{
sendFile();
}
/**
* sendfile测试
*/
public static void sendFile() throws IOException
{
// 读文件通道
FileChannel fileChannelIn = FileChannel.open(Path.of("/home/images/图片/壁纸/SC01C25.jpg"), StandardOpenOption.READ);
// 写文件通道
FileChannel fileChannelTo = FileChannel.open(Path.of("/home/images/a.jpg"), StandardOpenOption.WRITE);
// fileChannelIn ——> fileChannelTo（sendfile)
fileChannelIn.transferTo(0,fileChannelIn.size(), fileChannelTo);
fileChannelIn.close();
fileChannelTo.close();
}
}
引用
《Netty 实战》
