Nettey框架学习(一)之通俗讲解Linux网络模型

1.题外话

一点题外话，最近开始写博客，零零散散写了几篇不成体系的文章。觉得这种方式还是不太好，因而打算开始对某一个点详细的写一写。一方面也是系统的回顾知识，另一方面或许能有新的收获。

2.概述

官方对Netty的定义是：“Netty 是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速地开发可维护的高性能的面向协议的服务器和客户端”。
Netty本身是基于Java的NIO进行编写的，直接使用NIO的API晦涩难懂，需要自己处理如诸如缓冲区读写复位，半包读写，粘包之类的等等问题，开发难度较大。而Netty把这些麻烦的事情都给我们提供了良好的解决方案，我们更多的只需要专注于业务逻辑即可。

• 那为啥非要用NIO，就用过去简单易懂的BIO不香吗？

有一组数据可能说明了一切。在一百并发，每个并发发送一百个消息，测试平均延时及错误率上，BIO达到了160ms，错误率为4%左右。而NIO和基于NIO的Netty框架错误率为0，平均延时分别为57ms和15ms。可以看出无论是耗时还是可靠性都是有着明显的差异的。这也难怪大多数Java语言开发的大数据框架底层都在用Netty。

3.Linux网络模型

要理解Netty，首先得知道Lunix的5种网络模型。
为了方便理解，我们把系统比作一座图书馆（必定Linux万物皆文件），把调用资源的应用程序比作借书的人，把处理这些任务的线程比作图书馆工作人员。

1. 阻塞I/O模型
   这是一种最为常见的I/O模型。
   借阅人享受着VIP待遇，有一个专门的工作人员为他服务。“把《银瓶梅》给我找出来”，一个工作人员走进这个庞大的图书管大厦，将需求报告给图书管理员，然后去了等待区抽烟，“希望这书标题被啃掉了，免得那么快找到搞得我烟都没抽完”。就这样，时间过去了半天，管理员总算拿回了那本缺了封面泛黄的书，工作人员拿着书恭敬的交给了借阅人，借阅人于是拿着书高兴的回家了。
   没错，每个工作人员只服务于一个请求。这意味着有多少借阅者，就需要多少个工作人员为其服务。当工作人员多的行走都成问题时，VIP服务就成了^·0服务。
   当然，不要以为阻塞I/O一无是处，在并发量并不大的情况下，这种I/O模型性能足以支撑需求。完全没必要因为几个用户大动干戈的将每个线程分配特定角色。
   借用一张图来说明阻塞I/O模型：
   
2. 非阻塞I/O模型
   同样的，借阅人借阅图书。这次工作人员并不会无休止的等待图书管理员将书找到才返回结果，而是会在告知需求后立即询问结果，就好像认为有一些书目早已准备好随时准备调阅。如果结果为没准备好那么会立即给借阅者返回错误，随后这个工作人员就可以接待其他的借阅者了。当然，借阅人知道这个规矩，因而会重复的进行询问，直到书被找到，这时工作人员才拿着书交给借阅者。
   在这种模型下，线程并不因为结果未满足而陷入等待，而是可以被释放去做其他的事情，只是定期回来询问结果是否已满足，而每一次轮询的调用可能由不同线程在处理
   这里仍然有个问题，进程反复的调用仍然会导致大量无用的工作在执行，会消耗系统资源。
   非阻塞I/O模型图如下：
   
3. I/O复用模型
   这次有点不一样了，图书馆新增了一个前台，借阅者来了只需告知前台需求，然后就去了休息室休息。等有结果的时候前台会通知你的。这里最大的好处就是多个请求只用一个线程就能完成处理。
   前台将需求转交给工作人员处理，处理完的结果会被送到前台，前台通过轮询看哪些客户的请求已经有了结果，然后通知相应的人前来认领。
   这里面有两种方式，对应了poll和epoll调用机制，如果是轮询等待区的所有客户看哪些人的请求得到了结果，那么就是poll，如果只是轮询返回的结果，然后通知相应的人，这就是epoll。两种方式优劣十分明显，前者会随着连接数的增多性能线性下降，并且有最大数量限制，而epoll则不存在这些问题，性能提升明显。
   Java的NIO就是用的多路复用模型中的epoll机制。
   I/O复用模型图如下：
   
4. 信号驱动I/O模型
   这个模型和上面一个有点类似，区别在于没有前台了，而是在首次提交需求时为其提供一个凭证（信号），借阅者得到凭证后可以去做自己的事了。当数据准备好（书找到了），那么会通知凭证持有者书找到了（返回对应信号），此时凭证持有者就可以再次发起请求获取相应的数据了。
   这个好处也是非常明显的，不再有多路复用的轮询带来的性能消耗，通过信号驱动更为直接的实现了数据交互。当然实现难度也相对更大一些。
   信号驱动I/O模型图如下：
   
5. 异步I/O模型
   前面几种模型，无论是否阻塞，数据从准备好到拷贝到用户空间这个过程，一定是阻塞的。也就是说无论如果数据总是要我自己取的。
   而异步I/O则不同，连数据准备好后拷贝到用户空间这个过程也给自动的做了，最后只是单纯的通知结果已完成而已。就像借阅者提交请求之后就去做别的事了，完全不用考虑再回图书馆取书的事情，而图书馆会将一切处理好，把书送到用户家中。然后通知借阅者书已送到，在家就能看了。
   异步I/O模型图如下：
   

4.结束语

• 以上就是有关Linux网络模型的基本讲解。欢迎各位大佬指正，更希望能和各位大佬共同交流。
• 下一篇我会用原生Java代码分别展示一个BIO和NIO的网络编程案例，敬请期待。