如何实现高性能的异步网络传输？

• **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。
  • 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。

理想的异步网络框架 Netty

• 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。
  • 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。
• 同步网络 IO 的模型（BIO）
  
  • 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。
• 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。
    
• 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 ServerServerBootstrap 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 HandlerserverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws ExceptionsocketChannel.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();
  }
  

  • 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。
• 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。
  • 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。

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。

  • 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。

    • 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。