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11 | 如何实现高性能的异步网络传输？
你好，我是李玥。上一节课我们学习了异步的线程模型，异步与同步模型最大的区别是，同步模型会阻塞线程等待资源，而异步模型不会阻塞线程，它是等资源准备好后，再通知业务代码来完成后续的资源处理逻辑。这种异步设计的方法，可以很好地解决IO等待的问题。
我们开发的绝大多数业务系统，都是IO密集型系统。跟IO密集型系统相对的另一种系统叫计算密集型系统。通过这两种系统的名字，估计你也能大概猜出来IO密集型系统是什么意思。
IO密集型系统大部分时间都在执行IO操作，这个IO操作主要包括网络IO和磁盘IO，以及与计算机连接的一些外围设备的访问。与之相对的计算密集型系统，大部分时间都是在使用CPU执行计算操作。我们开发的业务系统，很少有非常耗时的计算，更多的是网络收发数据，读写磁盘和数据库这些IO操作。这样的系统基本上都是IO密集型系统，特别适合使用异步的设计来提升系统性能。
应用程序最常使用的IO资源，主要包括磁盘IO和网络IO。由于现在的SSD的速度越来越快，对于本地磁盘的读写，异步的意义越来越小。所以，使用异步设计的方法来提升IO性能，我们更加需要关注的问题是，如何来实现高性能的异步网络传输。
今天，咱们就来聊一聊这个话题。
理想的异步网络框架应该是什么样的？
在我们开发的程序中，如果要实现通过网络来传输数据，需要用到开发语言提供的网络通信类库。大部分语言提供的网络通信基础类库都是同步的。一个TCP连接建立后，用户代码会获得一个用于收发数据的通道，每个通道会在内存中开辟两片区域用于收发数据的缓存。
发送数据的过程比较简单，我们直接往这个通道里面来写入数据就可以了。用户代码在发送时写入的数据会暂存在缓存中，然后操作系统会通过网卡，把发送缓存中的数据传输到对端的服务器上。
只要这个缓存不满，或者说，我们发送数据的速度没有超过网卡传输速度的上限，那这个发送数据的操作耗时，只不过是一次内存写入的时间，这个时间是非常快的。所以，发送数据的时候同步发送就可以了，没有必要异步。
比较麻烦的是接收数据。对于数据的接收方来说，它并不知道什么时候会收到数据。那我们能直接想到的方法就是，用一个线程阻塞在那儿等着数据，当有数据到来的时候，操作系统会先把数据写入接收缓存，然后给接收数据的线程发一个通知，线程收到通知后结束等待，开始读取数据。处理完这一批数据后，继续阻塞等待下一批数据到来，这样周而复始地处理收到的数据。
这就是同步网络IO的模型。同步网络IO模型在处理少量连接的时候，是没有问题的。但是如果要同时处理非常多的连接，同步的网络IO模型就有点儿力不从心了。
因为，每个连接都需要阻塞一个线程来等待数据，大量的连接数就会需要相同数量的数据接收线程。当这些TCP连接都在进行数据收发的时候，会导致什么情况呢？对，会有大量的线程来抢占CPU时间，造成频繁的CPU上下文切换，导致CPU的负载升高，整个系统的性能就会比较慢。
所以，我们需要使用异步的模型来解决网络IO问题。怎么解决呢？
你可以先抛开你知道的各种语言的异步类库和各种异步的网络IO框架，想一想，对于业务开发者来说，一个好的异步网络框架，它的API应该是什么样的呢？
我们希望达到的效果，无非就是，只用少量的线程就能处理大量的连接，有数据到来的时候能第一时间处理就可以了。
对于开发者来说，最简单的方式就是，事先定义好收到数据后的处理逻辑，把这个处理逻辑作为一个回调方法，在连接建立前就通过框架提供的API设置好。当收到数据的时候，由框架自动来执行这个回调方法就好了。
实际上，有没有这么简单的框架呢？
使用Netty来实现异步网络通信
在Java中，大名鼎鼎的Netty框架的API设计就是这样的。接下来我们看一下如何使用Netty实现异步接收数据。
// 创建一组线性
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try{
// 初始化Server
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(group);
serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
serverBootstrap.localAddress(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
// 设置收到数据后的处理的Handler
serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
socketChannel.pipeline().addLast(new MyHandler());
}
});
// 绑定端口，开始提供服务
ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind().sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
} catch(Exception e){
e.printStackTrace();
} finally {
group.shutdownGracefully().sync();
}
这段代码它的功能非常简单，就是在本地9999端口，启动了一个Socket Server来接收数据。我带你一起来看一下这段代码：
- 首先我们创建了一个EventLoopGroup对象，命名为group，这个group对象你可以简单把它理解为一组线程。这组线程的作用就是来执行收发数据的业务逻辑。
- 然后，使用Netty提供的ServerBootstrap来初始化一个Socket Server，绑定到本地9999端口上。
- 在真正启动服务之前，我们给serverBootstrap传入了一个MyHandler对象，这个MyHandler是我们自己来实现的一个类，它需要继承Netty提供的一个抽象类：ChannelInboundHandlerAdapter，在这个MyHandler里面，我们可以定义收到数据后的处理逻辑。这个设置Handler的过程，就是我刚刚讲的，预先来定义回调方法的过程。
- 最后就可以真正绑定本地端口，启动Socket服务了。
服务启动后，如果有客户端来请求连接，Netty会自动接受并创建一个Socket连接。你可以看到，我们的代码中，并没有像一些同步网络框架中那样，需要用户调用Accept()方法来接受创建连接的情况，在Netty中，这个过程是自动的。
当收到来自客户端的数据后，Netty就会在我们第一行提供的EventLoopGroup对象中，获取一个IO线程，在这个IO线程中调用接收数据的回调方法，来执行接收数据的业务逻辑，在这个例子中，就是我们传入的MyHandler中的方法。
Netty本身它是一个全异步的设计，我们上节课刚刚讲过，异步设计会带来额外的复杂度，所以这个例子的代码看起来会比较多，比较复杂。但是你看，其实它提供了一组非常友好API。
真正需要业务代码来实现的就两个部分：一个是把服务初始化并启动起来，还有就是，实现收发消息的业务逻辑MyHandler。而像线程控制、缓存管理、连接管理这些异步网络IO中通用的、比较复杂的问题，Netty已经自动帮你处理好了，有没有感觉很贴心？所以，非常多的开源项目使用Netty作为其底层的网络IO框架，并不是没有原因的。
在这种设计中，Netty自己维护一组线程来执行数据收发的业务逻辑。如果说，你的业务需要更灵活的实现，自己来维护收发数据的线程，可以选择更加底层的Java NIO。其实，Netty也是基于NIO来实现的。
使用NIO来实现异步网络通信
在Java的NIO中，它提供了一个Selector对象，来解决一个线程在多个网络连接上的多路复用问题。什么意思呢？在NIO中，每个已经建立好的连接用一个Channel对象来表示。我们希望能实现，在一个线程里，接收来自多个Channel的数据。也就是说，这些Channel中，任何一个Channel收到数据后，第一时间能在同一个线程里面来处理。
我们可以想一下，一个线程对应多个Channel，有可能会出现这两种情况：
- 线程在忙着处理收到的数据，这时候Channel中又收到了新数据；
- 线程闲着没事儿干，所有的Channel中都没收到数据，也不能确定哪个Channel会在什么时候收到数据。
Selecor通过一种类似于事件的机制来解决这个问题。首先你需要把你的连接，也就是Channel绑定到Selector上，然后你可以在接收数据的线程来调用Selector.select()方法来等待数据到来。这个select方法是一个阻塞方法，这个线程会一直卡在这儿，直到这些Channel中的任意一个有数据到来，就会结束等待返回数据。它的返回值是一个迭代器，你可以从这个迭代器里面获取所有Channel收到的数据，然后来执行你的数据接收的业务逻辑。
你可以选择直接在这个线程里面来执行接收数据的业务逻辑，也可以将任务分发给其他的线程来执行，如何选择完全可以由你的代码来控制。
小结
传统的同步网络IO，一般采用的都是一个线程对应一个Channel接收数据，很难支持高并发和高吞吐量。这个时候，我们需要使用异步的网络IO框架来解决问题。
然后我讲了Netty和NIO这两种异步网络框架的API和它们的使用方法。这里面，你需要体会一下这两种框架在API设计方面的差异。Netty自动地解决了线程控制、缓存管理、连接管理这些问题，用户只需要实现对应的Handler来处理收到的数据即可。而NIO是更加底层的API，它提供了Selector机制，用单个线程同时管理多个连接，解决了多路复用这个异步网络通信的核心问题。
思考题
刚刚我们提到过，Netty本身就是基于NIO的API来实现的。课后，你可以想一下，针对接收数据这个流程，Netty它是如何用NIO来实现的呢？欢迎在留言区与我分享讨论。
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