Java的IO模型、Netty原理详解

1.什么是IO

虽然作为Java开发程序员，很多都听过IO、NIO这些，但是很多人都没深入去了解这些内容。

• Java的I/O是以流的方式进行数据输入输出的，Java的类库涉及很多领域的IO内容：标准的输入输出，文件的操作、网络上的数据传输流、字符串流、对象流等

2.同步与异步、阻塞与非阻塞

• 同步：一个任务完成之前不能做其他操作，必须等待。
• 异步：一个任务完成之前，可以进行其他操作
• 阻塞：相对于CPU来说，挂起当前线程，不能做其他操作只能等待
• 非阻塞：CPU无需挂起当前线程，可以执行其他操作

3.三种IO模型

BIO（Blocking I/O）

同步并阻塞模式，调用方在发起IO操作时会被阻塞，直到操作完成才能继续执行，适用于连接数较少的场景。

例如：服务端通过ServerSocket监听端口，accept()阻塞等待客户端连接。

优缺点：

• 优点：实现简单
• 缺点：线程资源开销大，连接数多时，每个线程都要占用CPU资源，容易出现性能瓶颈

适用于低并发、短连接的场景，如传统的HTTP服务

NIO（Non-blocking I/O）

同步非阻塞模型，客户端发送的连接请求都会注册到Selector多路复用器上，服务器端通过Selector管理多个通道Channel，Selector会轮询这些连接，当轮询到连接上有IO活动就进行处理。

NIO基于 Channel 和 Buffer 进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区或者从缓冲区写入到通道。Selector 用于监听多个通道上的事件（比如收到连接请求、数据达到等等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

IO多路复用：一个线程可对应多个连接，不用为每个连接都创建一个线程

核心组件：

• Channel：双向通信通道（如SocketChannel），数据可流入流出
• Buffer：数据缓冲区，是双向的，可读可写
• Selector：一个Selector对应一个线程，一个Selector上可注册多个Channel，并轮询多个Channel的就绪事件

优缺点：

• 可以减少线程数量，降低线程切换的开销，适用于需要处理大量并发连接的场景
• 缺点：实现复杂度高

使用于高并发、长连接的场景，如即时通讯场景

AIO（Asynchronous I/O）

异步非阻塞模型，基于事件回调或Future机制

• 调用方发起IO请求后，无需等待操作完成，可继续执行其他任务。操作系统在IO操作完成后，通过回调或事件通知的方式告知调用方
• Java中AsynchronousSocketChannel是AIO的代表类，通过回调函数处理读写操作完成后的结果

优缺点：

• IO密集型的应用，AIO提供更高的并发和低延迟，因为调用方在等待IO时不会被阻塞
• 缺点：实现复杂

适用于高吞吐、低延迟的场景，如日志批量写入

4.什么是Netty

说起Java的IO模型，绕不开的就是Netty框架了，那什么是Netty，为什么Netty的性能这么高呢？

• Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架。提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器
• Netty的原理就是NIO，是基于NIO的完美封装

很多中间件的底层通信框架用的都是它，比如：RocketMQ、Dubbo、Elasticsearch

4.1 Netty的核心要点

核心特点：

• 高并发：通过多路复用Selector实现单线程管理大量连接，减少线程开销
• 传输快：零拷贝技术，减少内存拷贝次数
• 封装性：简化NIO的复杂API，提供链式处理（ChannelPipeline）和可扩展的