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11 如何实现高性能的异步网络传输？
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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。
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我们开发的绝大多数业务系统，它都是 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。
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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。
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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。
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今天，咱们就来聊一聊这个话题。
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理想的异步网络框架应该是什么样的？
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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？
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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？
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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。
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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。
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实际上，有没有这么简单的框架呢？
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使用 Netty 来实现异步网络通信
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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。
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// 创建一组线性
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EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
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try{
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// 初始化 Server
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ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
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serverBootstrap.group(group);
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serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
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serverBootstrap.localAddress(new InetSocketAddress("localhost", 9999));
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// 设置收到数据后的处理的 Handler
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serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
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protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
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socketChannel.pipeline().addLast(new MyHandler());
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}
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});
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// 绑定端口，开始提供服务
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ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind().sync();
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channelFuture.channel().closeFuture().sync();
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} catch(Exception e){
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e.printStackTrace();
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} finally {
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group.shutdownGracefully().sync();
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}
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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：
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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。
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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。
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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。
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最后就可以真正绑定本地端口，启动 Socket 服务了。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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使用 NIO 来实现异步网络通信
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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。
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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：
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线程在忙着处理收到的数据，这时候 Channel 中又收到了新数据；
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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。
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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。
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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。
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