Netty详解

非阻塞I/O模型：recvfrom从应用层到内核的时候，如果该缓冲区没有数据的话，就直接返回一个EWOULDBLOCK错误，一般都对非阻塞I/O模型进行轮询检查这个状态，看内核是不是有数据到来。

I/O复用模型：Linux提供select/poll，进程通过将一个或多个fd传递给select或poll系统调用，阻塞在select操作上，这样select/poll可以帮我们侦测多个fd是否处于就绪状态。select/poll是顺序扫描fd是否就绪，而且支持的fd数量有限，因此它的使用受到了一些制约。Linux还提供了一个epoll系统调用，epoll使用基于事件驱动方式代替顺序扫描，因此性能更高。当有fd就绪时，立即回调函数rollback。

信号驱动I/O模型：首先开启套接口信号驱动I/O功能，并通过系统调用sigaction执行一个信号处理函数（此系统调用立即返回，进程继续工作，它是非阻塞的）。当数据准备就绪时，就为该进程生成一个SIGIO信号，通过信号回调通知应用程序调用recvfrom来读取数据，并通知主循环函数处理数据

异步I/O：告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作完成后（包括将数据从内核复制到用户自己的缓冲区）通知我们。这种模型与信号驱动模型的主要区别是：信号驱动I/O由内核通知我们何时可以开始一个I/O操作；异步I/O模型由内核通知我们I/O操作何时已经完成。

Linux网络I/O模型简介

目前支持I/O多路复用的系统调用有select、pselect、poll、epoll，在Linux网络编程过程中，很长一段时间都使用select做轮询和网络事件通知，然而select的一些固有缺陷导致了它的应用受到了很大的限制，最终Linux不得不在新的内核版本中寻找select的替代方案，最终选择了epoll。

值得庆幸的是，epoll并没有这个限制，它所支持的FD上限是操作系统的最大文件句柄数，这个数字远远大于1024。例如，在1GB内存的机器上大约是10万个句柄左右，具体的值可以通过cat /proc/sys/fs/file- max察看，通常情况下这个值跟系统的内存关系比较大

支持一个进程打开的socket描述符（FD）不受限制（仅受限于操作系统的最大文件句柄数）

传统的select/poll另一个致命弱点就是当你拥有一个很大的socket集合，由于网络延时或者链路空闲，任一时刻只有少部分的socket是“活跃”的，但是select/poll每次调用都会线性扫描全部的集合，导致效率呈现线性下降。epoll不存在这个问题，它只会对“活跃”的socket进行操作-这是因为在内核实现中epoll是根据每个fd上面的callback函数实现的，那么，只有“活跃”的socket才会主动的去调用callback函数，其他idle状态socket则不会。在这点上，epoll实现了一个伪AIO。针对epoll和select性能对比的benchmark测试表明：如果所有的socket都处于活跃态-例如一个高速LAN环境，epoll并不比select/poll效率高太多；相反，如果过多使用epoll_ctl，效率相比还有稍微的下降。但是一旦使用idle connections模拟WAN环境，epoll的效率就远在select/poll之上了。

I/O效率不会随着FD数目的增加而线性下降

无论是select，poll还是epoll都需要内核把FD消息通知给用户空间，如何避免不必要的内存复制就显得非常重要，epoll是通过内核和用户空间mmap同一块内存实现

使用mmap加速内核与用户空间的消息传递

epoll的API更加简单

epoll优点

I/O多路复用技术

在JDK 1.4推出Java NIO之前，基于Java的所有Socket通信都采用了同步阻塞模式（BIO）

2002年发布JDK1.4时，NIO以JSR-51的身份正式随JDK发布。它新增了个java.nio包，提供了很多进行异步I/O开发的API和类库

2011年7月28日，JDK1.7正式发布。它的一个比较大的亮点就是将原来的NIO类库进行了升级，被称为NIO2.0。

Java I/O演进

Java I/O的演进之路

Buffer类是一个抽象类，对应于Java的主要数据类型，在NIO中有8种缓冲区类，分别如下：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer

前7种Buffer类型，覆盖了能在IO中传输的所有的Java基本数据类型。第8种类型MappedByteBuffer是专门用于内存映射的一种ByteBuffer类型。

Buffer类

除此之外，还有一个标记属性：mark（标记），可以将当前的position临时存入mark中；需要的时候，可以再从mark标记恢复到position位置。

Buffer类的capacity属性，表示内部容量的大小。一旦写入的对象数量超过了capacity容量，缓冲区就满了，不能再写入了。

Buffer类的capacity属性一旦初始化，就不能再改变。原因是什么呢？Buffer类的对象在初始化时，会按照capacity分配内部的内存。在内存分配好之后，它的大小当然就不能改变了。

capacity容量不是指内存块byte[]数组的字节的数量。capacity容量指的是写入的数据对象的数量。

例子：Buffer类是一个抽象类，Java不能直接用来新建对象。使用的时候，必须使用Buffer的某个子类，例如使用DoubleBuffer，则写入的数据是double类型，如果其capacity是100，那么我们最多可以写入100个double数据。

capacity属性

Buffer类的position属性，表示当前的位置。position属性与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，position属性的值是不同的。当缓冲区进行读写的模式改变时，position会进行调整。

在写入模式下，position的值变化规则如下：（1）在刚进入到写模式时，position值为0，表示当前的写入位置为从头开始。（2）每当一个数据写到缓冲区之后，position会向后移动到下一个可写的位置。（3）初始的position值为0，最大可写值position为limit-1。当position值达到limit时，缓冲区就已经无空间可写了。

在读模式下，position的值变化规则如下：（1）当缓冲区刚开始进入到读模式时，position会被重置为0。（2）当从缓冲区读取时，也是从position位置开始读。读取数据后，position向前移动到下一个可读的位置。（3）position最大的值为最大可读上限limit，当position达到limit时，表明缓冲区已经无数据可读

当缓冲区处于写入模式时，如果要从缓冲区读取数据，需要进行模式的切换，可以调用 flip() 转换方法，将缓冲区变成读取模式。

在这个flip翻转过程中，position会进行非常巨大的调整，具体的规则是：position由原来的写入位置，变成新的可读位置，也就是0，表示可以从头开始读。flip翻转的另外一半工作，就是要调整limit属性。

position属性

在写模式下，limit属性值的含义为可以写入的数据最大上限。在刚进入到写模式时，limit的值会被设置成缓冲区的capacity容量值，表示可以一直将缓冲区的容量写满。

在读模式下，limit的值含义为最多能从缓冲区中读取到多少数据。

Buffer类的limit属性，表示读写的最大上限。limit属性，也与缓冲区的读写模式有关。在不同的模式下，limit的值的含义是不同的。

然后，向缓冲区写数据。每写入一个数据，position向后面移动一个位置，也就是position的值加1。假定写入了5个数，当写入完成后，position的值为5。

这时，使用（即调用）flip方法，将缓冲区切换到读模式。limit的值，先会被设置成写模式时的position值。这里新的limit是5，表示可以读取的最大上限是5个数。同时，新的position会被重置为0，表示可以从0开始读。

在flip翻转时，属性的调整，将涉及position、limit两个属性

limit属性

就是相当一个暂存属性，暂时保存position的值，方便后面的重复使用position值。

mark()方法：mark=position

reset()方法：position=mark

mark属性

重要属性

IntBuffer是具体的Buffer子类，通过调用IntBuffer.allocate(20)，创建了一个Intbuffer实例对象，并且分配了20 * 4个字节的内存空间。

allocate()创建缓冲区

写入的数据类型要求与缓冲区的类型保持一致。

put()写入到缓冲区

将写入模式翻转成读取模式。写入数据后，如果需要读取数据，需先转成读取模式

flip()翻转

读数据很简单，调用get方法，每次从position的位置读取一个数据，并且进行相应的缓冲区属性的调整。

get()从缓冲区读取

已经读完的数据，如果需要再读一遍，可以调用rewind()方法。rewind()也叫倒带，就像播放磁带一样倒回去，再重新播放。

（1）position重置为0，所以可以重读缓冲区中的所有数据。（2）limit保持不变，数据量还是一样的，仍然表示能从缓冲区中读取多少个元素。（3）mark标记被清理，表示之前的临时位置不能再用了。

rewind()倒带

Buffer.mark()方法的作用是将当前position的值保存起来，放在mark属性中，让mark属性记住这个临时位置；之后，可以调用Buffer.reset()方法将mark的值恢复到position中。也就是说，Buffer.mark()和Buffer.reset()方法是配套使用的。两种方法都需要内部mark属性的支持。

mark( )和reset( )

在读取模式下，调用clear()方法将缓冲区切换为写入模式。此方法会将position清零，limit设置为capacity最大容量值，可以一直写入，直到缓冲区写满。

clear( )清空缓冲区

将缓冲区模式从读取模式转为写入模式

compact() 方法

重要方法

详解 NIO Buffer 类及其属性

NIO中一个连接就是用一个Channel（通道）来表示。大家知道，从更广泛的层面来说，一个通道可以表示一个底层的文件描述符，例如硬件设备、文件、网络连接等。然而，远远不止如此，除了可以对应到底层文件描述符，Java NIO的通道还可以更加细化。例如，对应不同的网络传输协议类型，在Java中都有不同的NIO Channel（通道）实现。

这里不对纷繁复杂的Java NIO通道类型进行过多的描述，仅仅聚焦于介绍其中最为重要的四种Channel（通道）实现：FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel、DatagramChannel。

读取FileChannel通道：在大部分应用场景，从通道读取数据都会调用通道的int read（ByteBufferbuf）方法，它从通道读取到数据写入到ByteBuffer缓冲区，并且返回读取到的数据量。

写入FileChannel通道：写入数据到通道，在大部分应用场景，都会调用通道的int write（ByteBufferbuf）方法。此方法的参数——ByteBuffer缓冲区，是数据的来源。write方法的作用，是从ByteBuffer缓冲区中读取数据，然后写入到通道自身，而返回值是写入成功的字节数。

关闭通道：当通道使用完成后，必须将其关闭。关闭非常简单，调用close方法即可。

强制刷新到磁盘：在将缓冲区写入通道时，出于性能原因，操作系统不可能每次都实时将数据写入磁盘。如果需要保证写入通道的缓冲数据，最终都真正地写入磁盘，可以调用FileChannel的force()方法。

FileChannel文件通道只有阻塞模式，不能切换到非阻塞模式

FileChannel文件通道，用于文件的数据读写。

SocketChannel套接字通道，用于Socket套接字TCP连接的数据读写。

ServerSocketChannel服务器嵌套字通道（或服务器监听通道），允许我们监听TCP连接请求，为每个监听到的请求，创建一个SocketChannel套接字通道。

DatagramChannel数据报通道，用于UDP协议的数据读写。

Channel（通道）的主要类型

详解NIO Channel（通道）类

Java NIO的三大核心组件：Channel（通道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。其中通道和缓冲区，二者的联系也比较密切：数据总是从通道读到缓冲区内，或者从缓冲区写入到通道中。

简单地说：选择器的使命是完成IO的多路复用。一个通道代表一条连接通路，通过选择器可以同时监控多个通道的IO（输入输出）状况。选择器和通道的关系，是监控和被监控的关系。选择器提供了独特的API方法，能够选出（select）所监控的通道拥有哪些已经准备好的、就绪的IO操作事件。

一般来说，一个单线程处理一个选择器，一个选择器可以监控很多通道。通过选择器，一个单线程可以处理数百、数千、数万、甚至更多的通道。在极端情况下（数万个连接），只用一个线程就可以处理所有的通道，这样会大量地减少线程之间上下文切换的开销。

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可供选择器监控的通道IO事件类型，包括以下四种：（1）可读：SelectionKey.OP_READ（2）可写：SelectionKey.OP_WRITE（3）连接：SelectionKey.OP_CONNECT（4）接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

事件类型的定义在SelectionKey类中。如果选择器要监控通道的多种事件，可以用“按位或”运算符来实现。int key = SelectionKey.OP_ACCEPT |  SelectionKey.OP_WRITE

什么是IO事件呢？这个概念容易混淆，这里特别说明一下。这里的IO事件不是对通道的IO操作，而是通道的某个IO操作的一种就绪状态，表示通道具备完成某个IO操作的条件。

通道IO事件

选择器以及注册

通道和选择器的监控关系注册成功后，就可以选择就绪事件。具体的选择工作，和调用选择器Selector的select()方法来完成。通过select方法，选择器可以不断地选择通道中所发生操作的就绪状态，返回注册过的感兴趣的那些IO事件。换句话说，一旦在通道中发生了某些IO事件（就绪状态达成），并且是在选择器中注册过的IO事件，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键的集合中。

SelectionKey选择键就是那些被选择器选中的IO事件。前面讲到，一个IO事件发生（就绪状态达成）后，如果之前在选择器中注册过，就会被选择器选中，并放入SelectionKey选择键集合中；如果之前没有注册过，即使发生了IO事件，也不会被选择器选中。SelectionKey选择键和IO的关系，可以简单地理解为：选择键，就是被选中了的IO事件。

选择键的功能是很强大的。通过SelectionKey选择键，不仅仅可以获得通道的IO事件类型，比方说SelectionKey.OP_READ；还可以获得发生IO事件所在的通道；另外，也可以获得选出选择键的选择器实例。即：一个 SelectionKey 会于一个 SelectableChannel 绑定

SelectionKey选择键

选择器实例是通过调用静态工厂方法open()来获取的

Selector selector = Selector.open();

Selector选择器的类方法open()的内部，是向选择器SPI（SelectorProvider）发出请求，通过默认的SelectorProvider（选择器提供者）对象，获取一个新的选择器实例。Java中SPI全称为（Service Provider Interface，服务提供者接口），是JDK的一种可以扩展的服务提供和发现机制。Java通过SPI的方式，提供选择器的默认实现版本。也就是说，其他的服务提供商可以通过SPI的方式，提供定制化版本的选择器的动态替换或者扩展。

第一步：获取选择器实例

要实现选择器管理通道，需要将通道注册到相应的选择器上调用通道的register()方法，将ServerSocketChannel通道注册到了一个选择器上。当然，在注册之前，首先要准备好通道。

注册到选择器的通道，必须处于非阻塞模式下，否则将抛出IllegalBlockingModeException异常。这意味着，FileChannel文件通道不能与选择器一起使用，因为FileChannel文件通道只有阻塞模式，不能切换到非阻塞模式；而Socket套接字相关的所有通道都可以。

一个通道，并不一定要支持所有的四种IO事件。例如服务器监听通道ServerSocketChannel，仅仅支持Accept（接收到新连接）IO事件；而SocketChannel传输通道，则不支持Accept（接收到新连接）IO事件。可以在注册之前，可以通过通道的validOps()方法，来获取该通道所有支持的IO事件集合。

第二步：将通道注册到选择器实例

通过Selector选择器的select()方法，选出已经注册的、已经就绪的IO事件，保存到SelectionKey选择键集合中。SelectionKey集合保存在选择器实例内部，是一个元素为SelectionKey类型的集合（Set）。调用选择器的selectedKeys()方法，可以取得选择键集合。接下来，需要迭代集合的每一个选择键，根据具体IO事件类型，执行对应的业务操作。

处理完成后，需要将选择键从这个SelectionKey集合中移除，防止下一次循环的时候，被重复的处理。SelectionKey集合不能添加元素，如果试图向SelectionKey选择键集合中添加元素，则将抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。使用 Iterator.remove() 方法。

select()：阻塞调用，一直到至少有一个通道发生了注册的IO事件。select()方法返回的整数值（int整数类型），表示发生了IO事件的通道数量。更准确地说，是从上一次select到这一次select之间，有多少通道发生了IO事件。强调一下，select()方法返回的数量，指的是通道数，而不是IO事件数，准确地说，是指发生了选择器感兴趣的IO事件的通道数。

select(long timeout)：和select()一样，但最长阻塞时间为timeout指定的毫秒数。

selectNow()：非阻塞，不管有没有IO事件，都会立刻返回

用于选择就绪的IO事件的select()方法，有多个重载的实现版本

第三步：选出感兴趣的IO就绪事件（选择键集合）

选择器使用流程

详解NIO Selector选择器

（1）在NIO中，服务器接收新连接的工作，是异步进行的。不像Java的OIO那样，服务器监听连接，是同步的、阻塞的。NIO可以通过选择器（也可以说成：多路复用器），后续不断地轮询选择器的选择键集合，选择新到来的连接。

（2）在NIO中，SocketChannel传输通道的读写操作都是异步的。如果没有可读写的数据，负责IO通信的线程不会同步等待。这样，线程就可以处理其他连接的通道；不需要像OIO那样，线程一直阻塞，等待所负责的连接可用为止。

（3）在NIO中，一个选择器线程可以同时处理成千上万个客户端连接，性能不会随着客户端的增加而线性下降。

总之，有了Linux底层的epoll支持，有了Java NIO Selector选择器这样的应用层IO复用技术，Java程序从而可以实现IO通信的高TPS、高并发，使服务器具备并发数十万、数百万的连接能力。Java的NIO技术非常适合用于高性能、高负载的网络服务器。鼎鼎大名的通信服务器中间件Netty，就是基于Java的NIO技术实现的。

与Java OIO相比，Java NIO编程大致的特点如下：

Java NIO 通信基础详解

反应器模式由Reactor反应器线程、Handlers处理器两大角色组成：（1）Reactor反应器线程的职责：负责响应IO事件，并且分发到Handlers处理器。（2）Handlers处理器的职责：非阻塞的执行业务处理逻辑。

在这里，为了方便大家学习，将Doug Lea著名的文章《Scalable IO in Java》的链接地址贴出来：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf，建议大家去阅读一下，提升自己的基础知识，开阔下眼界。

简介

在Java的OIO编程中，最初和最原始的网络服务器程序，是用一个while循环，不断地监听端口是否有新的连接。如果有，那么就调用一个处理函数来处理这种方法的最大问题是：如果前一个网络连接的handle（socket）没有处理完，那么后面的连接请求没法被接收，于是后面的请求通通会被阻塞住，服务器的吞吐量就太低了。对于服务器来说，这是一个严重的问题。

死循环

为了解决这个严重的连接阻塞问题，出现了一个极为经典模式：Connection Per Thread（一个线程处理一个连接）模式。

对于每一个新的网络连接都分配给一个线程。每个线程都独自处理自己负责的输入和输出。当然，服务器的监听线程也是独立的，任何的socket连接的输入和输出处理，不会阻塞到后面新socket连接的监听和建立。早期版本的Tomcat服务器，就是这样实现的。

优点：解决了前面的新连接被严重阻塞的问题，在一定程度上，极大地提高了服务器的吞吐量。

缺点：对应于大量的连接，需要耗费大量的线程资源，对线程资源要求太高。在系统中，线程是比较昂贵的系统资源。如果线程数太多，系统无法承受。而且，线程的反复创建、销毁、线程的切换也需要代价。因此，在高并发的应用场景下，多线程OIO的缺陷是致命的。

优缺点

Connection Per Thread

多线程OIO的致命缺陷

在事件驱动模式中，当有事件触发时，事件源会将事件dispatch分发到handler处理器进行事件处理。反应器模式中的反应器角色，类似于事件驱动模式中的dispatcher事件分发器角色。

1）Reactor反应器：负责查询IO事件，当检测到一个IO事件，将其发送给相应的Handler处理器去处理。这里的IO事件，就是NIO中选择器监控的通道IO事件。

2）Handler处理器：与IO事件（或者选择键）绑定，负责IO事件的处理。完成真正的连接建立、通道的读取、处理业务逻辑、负责将结果写出到通道等。

两个重要组件

简单地说，Reactor反应器和Handers处理器处于一个线程中执行。

方法一：void attach(Object o)此方法可以将任何的Java POJO对象，作为附件添加到SelectionKey实例，相当于附件属性的setter方法。这方法非常重要，因为在单线程版本的反应器模式中，需要将Handler处理器实例，作为附件添加到SelectionKey实例。

方法二：Object attachment()此方法的作用是取出之前通过attach(Object o)添加到SelectionKey选择键实例的附件，相当于附件属性的getter方法，与attach(Object o)配套使用。

总之，在反应器模式中，需要进行attach和attachment结合使用：在选择键注册完成之后，调用attach方法，将Handler处理器绑定到选择键；当事件发生时，调用attachment方法，可以从选择键取出Handler处理器，将事件分发到Handler处理器中，完成业务处理。

基于Java NIO，如何实现简单的单线程版本的反应器模式呢？需要用到SelectionKey选择键的几个重要的成员方法：

单线程Reactor反应器模式，是基于Java的NIO实现的。相对于传统的多线程OIO，反应器模式不再需要启动成千上万条线程，效率自然是大大提升了。

在单线程反应器模式中，Reactor反应器和Handler处理器，都执行在同一条线程上。这样，带来了一个问题：当其中某个Handler阻塞时，会导致其他所有的Handler都得不到执行。在这种场景下，如果被阻塞的Handler不仅仅负责输入和输出处理的业务，还包括负责连接监听的AcceptorHandler处理器。这个是非常严重的问题。

缺点

单线程的Reactor反应器模式

1）首先是升级Handler处理器。既要使用多线程，又要尽可能的高效率，则可以考虑使用线程池。将负责输入输出处理的IOHandler处理器的执行，放入独立的线程池中。这样，业务处理线程与负责服务监听和IO事件查询的反应器线程相隔离，避免服务器的连接监听受到阻塞。

2）其次是升级Reactor反应器。可以考虑引入多个Selector选择器，提升选择大量通道的能力。如果服务器为多核的CPU，可以将反应器线程拆分为多个子反应器（SubReactor）线程；同时，引入多个选择器，每一个SubReactor子线程负责一个选择器。这样，充分释放了系统资源的能力；也提高了反应器管理大量连接，提升选择大量通道的能力。

多线程池Reactor反应器的演进，分为两个方面：

多线程的Reactor反应器模式

· 响应快，虽然同一反应器线程本身是同步的，但不会被单个连接的同步IO所阻塞；· 编程相对简单，最大程度避免了复杂的多线程同步，也避免了多线程的各个进程之间切换的开销；· 可扩展，可以方便地通过增加反应器线程的个数来充分利用CPU资源。

优点

· 反应器模式增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。· 反应器模式需要操作系统底层的IO多路复用的支持，如Linux中的epoll。如果操作系统的底层不支持IO多路复用，反应器模式不会有那么高效。· 同一个Handler业务线程中，如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个反应器中其他通道的IO处理。例如在大文件传输时，IO操作就会影响其他客户端（Client）的响应时间。因而对于这种操作，还需要进一步对反应器模式进行改进。

Reactor反应器模式

join方法的应用场景：A线程调用B线程的join方法，等待B线程执行完成；在B线程没有完成前，A线程阻塞。

void join():A线程等待B线程执行结束后，A线程重新恢复执行。

void join(long millis):A线程等待B线程执行一段时间，最长等待时间为millis毫秒。超过millis毫秒后，不论B线程是否结束，A线程重新恢复执行。

有三个重载版本

（1）join是实例方法，不是静态方法，需要使用线程对象去调用，如thread.join()。（2）join调用时，不是线程所指向的目标线程阻塞，而是当前线程阻塞。（3）只有等到当前线程所指向的线程执行完成，或者超时，当前线程才能重新恢复执行。

强调一下容易混淆的几点：

join有一个问题：被合并的线程没有返回值。例如，在烧水的实例中，如果烧水线程的执行结束，main线程是无法知道结果的。同样，清洗线程的执行结果，main线程也是无法知道的。形象地说，join线程合并就是一像一个闷葫芦。只能发起合并线程，不能取到执行结果。

join异步阻塞

在介绍Callable接口之前，先得重提一下旧的Runnable接口。Runnable接口是在Java多线程中表示线程的业务代码的抽象接口。但是，Runnable有一个重要的问题，它的run方法是没有返回值的。正因为如此，Runnable不能用于需要有返回值的应用场景。

Callable接口是一个泛型接口，也声明为了“函数式接口”。其唯一的抽象方法call有返回值，返回值的类型为泛型形参的实际类型。call抽象方法还有一个Exception的异常声明，容许方法内部的异常不经过捕获。

Callable接口与Runnable接口相比，还有一个很大的不同：Callable接口的实例不能作为Thread线程实例的target来使用；而Runnable接口实例可以作为Thread线程实例的target构造参数，开启一个Thread线程。

Callable接口

总体来说，FutureTask类首先是一个搭桥类的角色，FutureTask类能当作Thread线程去执行目标target，被异步执行；其次，如果要获取异步执行的结果，需要通过FutureTask类的方法去获取，在FutureTask类的内部，会将Callable的call方法的真正结果保存起来，以供外部获取。

在Java语言中，将FutureTask类的一系列操作，抽象出来作为一个重要的接口——Future接口。当然，FutureTask类也实现了此接口。

FutureTask内部有一个Callable类型的成员，代表异步执行的逻辑

callable实例属性必须要在FutureTask类的实例构造时进行初始化

private Callable<V> callable

outcome属性所保存的结果，可供FutureTask类的结果获取方法（如get）来获取。

private Object outcome

重点成员变量

FutureTask类

（1）判断并发任务是否执行完成。（2）获取并发的任务完成后的结果。（3）取消并发执行中的任务。

主要提供三大功能

V get()：获取并发任务执行的结果。注意，这个方法是阻塞性的。如果并发任务没有执行完成，调用此方法的线程会一直阻塞，直到并发任务执行完成。

booleanisDone()：获取并发任务的执行状态。如果任务执行结束，则返回true。

booleanisCancelled()：获取并发任务的取消状态。如果任务完成前被取消，则返回true。

boolean cancel(booleanmayInterruptRunning)：取消并发任务的执行。

源码

Future接口

FutureTask 虽然比 join 方法要高明一点，可以获取到异步线程的执行结果，但是获取结果的get()方法也是一个阻塞方法。

异步阻塞的效率往往是比较低的，被阻塞的主线程不能干任何事情，唯一能干的，就是在傻傻地等待。原生Java API，除了阻塞模式的获取结果外，并没有实现非阻塞的异步结果获取方法。如果需要用到获取异步的结果，则需要引入一些额外的框架，这里首先介绍谷歌公司的Guava框架。

问题

FutureTask异步回调之重武器

（1）引入了一个新的接口ListenableFuture，继承了Java的Future接口，使得Java的Future异步任务，在Guava中能被监控和获得非阻塞异步执行的结果。

（2）引入了一个新的接口FutureCallback，这是一个独立的新接口。该接口的目的，是在异步任务执行完成后，根据异步结果，完成不同的回调处理，并且可以处理异步结果。

Guava的主要手段是增强而不是另起炉灶。为了实现非阻塞获取异步线程的结果，Guava对Java的异步回调机制，做了以下的增强：

FutureCallback是一个新增的接口，用来填写异步任务执行完后的监听逻辑。FutureCallback拥有两个回调方法：（1）onSuccess方法，在异步任务执行成功后被回调；调用时，异步任务的执行结果，作为onSuccess方法的参数被传入。（2）onFailure方法，在异步任务执行过程中，抛出异常时被回调；调用时，异步任务所抛出的异常，作为onFailure方法的参数被传入

FutureCallback 与 Callable 区别：（1）Java的Callable接口，代表的是异步执行的逻辑。（2）Guava的FutureCallback接口，代表的是Callable异步逻辑执行完成之后，根据成功或者异常两种情况，所需要执行的善后工作。

详解FutureCallback

Guava如何实现异步任务Callable和FutureCallback结果回调之间的监控关系呢？ Guava引入了一个新接口ListenableFuture，它继承了Java的Future接口，增强了监控的能力。

istenableFuture仅仅增加了一个方法——addListener方法。它的作用就是将前一小节的FutureCallback善后回调工作，封装成一个内部的Runnable异步回调任务，在Callable异步任务完成后，回调FutureCallback进行善后处理。

在实际编程中，如何将FutureCallback回调逻辑绑定到异步的ListenableFuture任务呢？可以使用Guava的Futures工具类，它有一个addCallback静态方法，可以将FutureCallback的回调实例绑定到ListenableFuture异步任务。

详解ListenableFuture

总结一下，Guava异步回调的流程如下：第1步：实现Java的Callable接口，创建异步执行逻辑。还有一种情况，如果不需要返回值，异步执行逻辑也可以实现Java的Runnable接口。第2步：创建Guava线程池。第3步：将第1步创建的Callable/Runnable异步执行逻辑的实例，通过submit提交到Guava线程池，从而获取ListenableFuture异步任务实例。第4步：创建FutureCallback回调实例，通过Futures.addCallback将回调实例绑定到ListenableFuture异步任务上。

Guava的异步回调模式

Netty官方文档中指出Netty的网络操作都是异步的。在Netty源代码中，大量使用了异步回调处理模式。在Netty的业务开发层面，Netty应用的Handler处理器中的业务处理代码，也都是异步执行的。

（1）继承Java的Future接口，得到了一个新的属于Netty自己的Future异步任务接口；该接口对原有的接口进行了增强(判断执行状态、增加/删除回调监听等)，使得Netty异步任务能够以非阻塞的方式处理回调的结果；注意，Netty没有修改Future的名称，只是调整了所在的包名，Netty的Future类的包名和Java的Future接口的包名不同。

（2）引入了一个新接口——GenericFutureListener，用于表示异步执行完成的监听器。这个接口和Guava的FutureCallbak回调接口不同。Netty使用了监听器的模式，异步任务的执行完成后的回调逻辑抽象成了Listener监听器接口。可以将Netty的GenericFutureListener监听器接口加入Netty异步任务Future中，实现对异步任务执行状态的事件监听。

Netty对JavaFuture异步任务的扩展如下

总体上说，在异步非阻塞回调的设计思路上，Netty和Guava的思路是一致的。对应关系为：· Netty的Future接口，可以对应到Guava的ListenableFuture接口。· Netty的GenericFutureListener接口，可以对应到Guava的FutureCallback接口。

Netty回调模式

并发基础中的Future异步回调模式

第1步：通道注册。IO源于通道（Channel）。IO是和通道（对应于底层连接而言）强相关的。一个IO事件，一定属于某个通道。但是，如果要查询通道的事件，首先要将通道注册到选择器。只需通道提前注册到Selector选择器即可，IO事件会被选择器查询到。第2步：查询选择。在反应器模式中，一个反应器（或者SubReactor子反应器）会负责一个线程；不断地轮询，查询选择器中的IO事件（选择键）。第3步：事件分发。如果查询到IO事件，则分发给与IO事件有绑定关系的Handler业务处理器。第4步：完成真正的IO操作和业务处理，这一步由Handler业务处理器负责。

一个IO事件从操作系统底层产生后，在Reactor反应器模式中的处理流程

Netty中的每一种协议的通道，都有NIO（异步IO）和OIO（阻塞式IO）两个版本

· NioSocketChannel：异步非阻塞TCP Socket传输通道。· NioServerSocketChannel：异步非阻塞TCP Socket服务器端监听通道。· NioDatagramChannel：异步非阻塞的UDP传输通道。· NioSctpChannel：异步非阻塞Sctp传输通道。· NioSctpServerChannel：异步非阻塞Sctp服务器端监听通道。· OioSocketChannel：同步阻塞式TCP Socket传输通道。· OioServerSocketChannel：同步阻塞式TCP Socket服务器端监听通道。· OioDatagramChannel：同步阻塞式UDP传输通道。· OioSctpChannel：同步阻塞式Sctp传输通道。· OioSctpServerChannel：同步阻塞式Sctp服务器端监听通道。

对应于不同的协议，Netty中常见的通道类型如下

在Netty的NioSocketChannel内部封装了一个Java NIO的SelectableChannel成员。通过这个内部的Java NIO通道，Netty的NioSocketChannel通道上的IO操作，最终会落地到Java NIO的SelectableChannel底层通道。

Netty中的Channel通道组件

在反应器模式中，一个反应器（或者SubReactor子反应器）会负责一个事件处理线程，不断地轮询，通过Selector选择器不断查询注册过的IO事件（选择键）。如果查询到IO事件，则分发给Handler业务处理器。

Netty中的反应器有多个实现类，与Channel通道类有关系。对应于NioSocketChannel通道，Netty的反应器类为：NioEventLoop。

NioEventLoop类绑定了两个重要的Java成员属性：一个是Thread线程类的成员，一个是Java NIO选择器的成员属性。

NioEventLoop和前面章节讲到反应器，在思路上是一致的：一个NioEventLoop拥有一个Thread线程，负责一个Java NIO Selector选择器的IO事件轮询。

一个反应器和通道之间是一对多的关系：一个反应器可以查询很多各通道的IO事件

Netty中的Reactor反应器

Netty的Handler处理器分为两大类：第一类是ChannelInboundHandler通道入站处理器；第二类是ChannelOutboundHandler通道出站处理器。二者都继承了ChannelHandler处理器接口。

ChannelInboundHandler的默认实现为ChannelInboundHandlerAdapter，叫作通道入站处理适配器。ChanneOutboundHandler的默认实现为ChanneloutBoundHandlerAdapter，叫作通道出站处理适配器。这两个默认的通道处理适配器，分别实现了入站操作和出站操作的基本功能。如果要实现自己的业务处理器，不需要从零开始去实现处理器的接口，只需要继承通道处理适配器即可。

通道和Handler处理器实例之间是多对多的关系：一个通道的IO事件被多个Handler实例处理；一个Handler处理器实例也能绑定到很多的通道，处理多个通道的IO事件。

Netty中的Handler处理器

通道和Handler处理器实例之间的绑定关系，Netty是如何组织的？

Netty设计了一个特殊的组件，叫作ChannelPipeline（通道流水线），它像一条管道，将绑定到一个通道的多个Handler处理器实例，串在一起，形成一条流水线。ChannelPipeline（通道流水线）的默认实现，实际上被设计成一个双向链表。所有的Handler处理器实例被包装成了双向链表的节点，被加入到了ChannelPipeline（通道流水线）中。

Netty是这样规定的：入站处理器Handler的执行次序，是从前到后；出站处理器Handler的执行次序，是从后到前。总之，IO事件在流水线上的执行次序，与IO事件的类型是有关系的

除了流动的方向与IO操作的类型有关之外，流动过程中经过的处理器节点的类型，也是与IO操作的类型有关。入站的IO操作只会且只能从Inbound入站处理器类型的Handler流过；出站的IO操作只会且只能从Outbound出站处理器类型的Handler流过。

在向后流动的过程中，会出现3种情况：（1）如果后面还有其他Handler入站处理器，那么IO事件可以交给下一个Handler处理器，向后流动。（2）如果后面没有其他的入站处理器，这就意味着这个IO事件在此次流水线中的处理结束了。（3）如果在流水线中间需要终止流动，可以选择不将IO事件交给下一个Handler处理器，流水线的执行也被终止了。

入站

Netty的流水线

解密Netty中的Reactor反应器模式

Bootstrap类是Netty提供的一个便利的工厂类，可以通过它来完成Netty的客户端或服务器端的Netty组件的组装，以及Netty程序的初始化。当然，Netty的官方解释是，完全可以不用这个Bootstrap启动器。但是，一点点去手动创建通道、完成各种设置和启动、并且注册到EventLoop，这个过程会非常麻烦。通常情况下，还是使用这个便利的Bootstrap工具类会效率更高。

启动器分为服务器启动类，ServerBootstrap 和客户端启动类，Bootstarp

每一个NioSocketChannel通道锁封装的是Java NIO通道，再往下就对应到了操作系统底层的socket描述符

连接监听类型。连接监听类型的socket描述符，放在服务器端，它负责接收客户端的套接字连接；在服务器端，一个“连接监听类型”的socket描述符可以接受（Accept）成千上万的传输类的socket描述符。

传输数据类型。数据传输类的socket描述符负责传输数据。同一条TCP的Socket传输链路，在服务器和客户端，都分别会有一个与之相对应的数据传输类型的socket描述符。

理论上，操作系统底层的socket描述符分为两类：

在Netty中，异步非阻塞的服务器端监听通道NioServerSocketChannel，封装在Linux底层的描述符，是“连接监听类型”socket描述符；而NioSocketChannel异步非阻塞TCP Socket传输通道，封装在底层Linux的描述符，是“数据传输类型”的socket描述符。

在Netty中，将有接收关系的NioServerSocketChannel和NioSocketChannel，叫作父子通道。其中，NioServerSocketChannel负责服务器连接监听和接收，也叫父通道（Parent Channel）。对应于每一个接收到的NioSocketChannel传输类通道，也叫子通道（Child Channel）。

父子通道

在Netty中，一个EventLoop相当于一个子反应器（SubReactor）。大家已经知道，一个NioEventLoop子反应器拥有了一个线程，同时拥有一个Java NIO选择器。Netty如何组织外层的反应器呢？答案是使用EventLoopGroup线程组。多个EventLoop线程组成一个EventLoopGroup线程组。反过来说，Netty的EventLoopGroup线程组就是一个多线程版本的反应器。而其中的单个EventLoop线程对应于一个子反应器（SubReactor）。

多线程版本的反应器模式

默认的EventLoopGroup内部线程数为最大可用的CPU处理器数量的2倍

在服务器端，一般有两个独立的反应器，一个反应器负责新连接的监听和接受，另一个反应器负责IO事件处理。对应到Netty服务器程序中，则是设置两个EventLoopGroup线程组，一个EventLoopGroup负责新连接的监听和接受，一个EventLoopGroup负责IO事件处理。

负责新连接的监听和接受的EventLoopGroup线程组，查询父通道（NioServerSocketChannel）的IO事件，称为Boss线程组。负责查询所有子通道（NioSocketChannel）的IO事件，并且执行Handler处理器中的业务逻辑，称为Worker线程组。

服务端两个EventLoogGroup线程组

EventLoogGroup线程组

不一定非得配置两个线程组，可以仅配置一个EventLoopGroup反应器线程组。具体的配置方法是调用b.group( workerGroup)。在这种模式下，连接监听IO事件和数据传输IO事件可能被挤在了同一个线程中处理。这样会带来一个风险：新连接的接受被更加耗时的数据传输或者业务处理所阻塞。

在服务器端，建议设置成两个线程组的工作模式。

第1步：创建反应器线程组，并赋值给ServerBootstrap启动器实例

第2步：设置通道的IO类型

第3步：设置监听端口

给父通道设置一些通道选项，使用Bootstrap.option() 方法；给子通道设置就使用Bootstrap.childOption() 方法。

此为TCP参数。每个TCP socket（套接字）在内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这两个选项就是用来设置TCP连接的这两个缓冲区大小的。TCP的全双工的工作模式以及TCP的滑动窗口便是依赖于这两个独立的缓冲区及其填充的状态。

此为TCP参数。表示立即发送数据，默认值为True（Netty默认为True，而操作系统默认为False）。该值用于设置Nagle算法的启用，该算法将小的碎片数据连接成更大的报文（或数据包）来最小化所发送报文的数量，如果需要发送一些较小的报文，则需要禁用该算法。Netty默认禁用该算法，从而最小化报文传输的延时。说明一下：这个参数的值，与是否开启Nagle算法是相反的，设置为true表示关闭，设置为false表示开启。通俗地讲，如果要求高实时性，有数据发送时就立刻发送，就设置为true，如果需要减少发送次数和减少网络交互次数，就设置为false。

TCP_NODELAY

此为TCP参数。表示底层TCP协议的心跳机制。true为连接保持心跳，默认值为false。启用该功能时，TCP会主动探测空闲连接的有效性。可以将此功能视为TCP的心跳机制，需要注意的是：默认的心跳间隔是7200s即2小时。Netty默认关闭该功能。

SO_KEEPALIVE

此为TCP参数。设置为true时表示地址复用，默认值为false。有四种情况需要用到这个参数设置：· 当有一个有相同本地地址和端口的socket1处于TIME_WAIT状态时，而我们希望启动的程序的socket2要占用该地址和端口。例如在重启服务且保持先前端口时。· 有多块网卡或用IP Alias技术的机器在同一端口启动多个进程，但每个进程绑定的本地IP地址不能相同。· 单个进程绑定相同的端口到多个socket（套接字）上，但每个socket绑定的IP地址不同。· 完全相同的地址和端口的重复绑定。但这只用于UDP的多播，不用于TCP。

SO_REUSEADDR

此为TCP参数。表示关闭socket的延迟时间，默认值为-1，表示禁用该功能。-1表示socket.close()方法立即返回，但操作系统底层会将发送缓冲区全部发送到对端。0表示socket.close()方法立即返回，操作系统放弃发送缓冲区的数据，直接向对端发送RST包，对端收到复位错误。非0整数值表示调用socket.close()方法的线程被阻塞，直到延迟时间到来、发送缓冲区中的数据发送完毕，若超时，则对端会收到复位错误。

SO_LINGER

此为TCP参数。表示服务器端接收连接的队列长度，如果队列已满，客户端连接将被拒绝。默认值，在Windows中为200，其他操作系统为128。如果连接建立频繁，服务器处理新连接较慢，可以适当调大这个参数．

SO_BACKLOG

此为TCP参数。表示设置广播模式。

SO_BROADCAST

常见选项

第4步：设置传输通道的配置选项

每一个通道的子通道，都用一条ChannelPipeline流水线。它的内部有一个双向的链表。装配流水线的方式是：将业务处理器ChannelHandler实例加入双向链表中。

装配子通道的Handler流水线调用ServerBootstrap.childHandler()方法，传递一个ChannelInitializer通道初始化类的实例。在父通道成功接收一个连接，并创建成功一个子通道后，就会初始化子通道，这里配置的ChannelInitializer实例就会被调用。

在ChannelInitializer通道初始化类的实例中，有一个initChannel初始化方法，在子通道创建后会被执行到，向子通道流水线增加业务处理器。

ps：也可以为父通道装配流水线，但是没必要，父通道的内部业务处理是固定的。真的需要，也可以使用 ServerBootstrap.handler方法。

第5步：装配子通道的Pipeline流水线

调用 Bootstrap.bind() 方法进行端口绑定，方法返回channelFuture。可以调用sync()方法进行同步阻塞等待，或者添加事件监听器进行异步非阻塞处理。

第6步：开始绑定服务器新连接的监听端口

第7步：自我阻塞，直到通道关闭

关闭Reactor反应器线程组，同时会关闭内部的subReactor子反应器线程，也会关闭内部的Selector选择器、内部的轮询线程以及负责查询的所有的子通道。在子通道关闭后，会释放掉底层的资源，如TCP Socket文件描述符等。

第8步：关闭EventLoopGroup

Bootstrap启动流程

详解Bootstrap启动器类

protected AbstractChannel(Channel parent) {        this.parent = parent;        id = newId();        unsafe = newUnsafe();        pipeline = newChannelPipeline();    }

AbstractChannel内部有一个pipeline属性，表示处理器的流水线。Netty在对通道进行初始化的时候，将pipeline属性初始化为DefaultChannelPipeline的实例。这段代码也表明，每个通道拥有一条ChannelPipeline处理器流水线。

AbstractChannel内部有一个parent属性，表示通道的父通道。对于连接监听通道（如NioServerSocketChannel实例）来说，其父亲通道为null；而对于每一条传输通道（如NioSocketChannel实例），其parent属性的值为接收到该连接的服务器连接监听通道。

通道的抽象类AbstractChanel构造函数

方法1. ChannelFuture connect(SocketAddress address)此方法的作用为：连接远程服务器。方法的参数为远程服务器的地址，调用后会立即返回，返回值为负责连接操作的异步任务ChannelFuture。此方法在客户端的传输通道使用。

方法2. ChannelFuture bind（SocketAddress address）此方法的作用为：绑定监听地址，开始监听新的客户端连接。此方法在服务器的新连接监听和接收通道使用。

方法3. ChannelFuture close()此方法的作用为：关闭通道连接，返回连接关闭的ChannelFuture异步任务。如果需要在连接正式关闭后执行其他操作，则需要为异步任务设置回调方法；或者调用ChannelFuture异步任务的sync( ) 方法来阻塞当前线程，一直等到通道关闭的异步任务执行完毕。

方法4. Channel read()此方法的作用为：读取通道数据，并且启动入站处理。具体来说，从内部的Java NIO Channel通道读取数据，然后启动内部的Pipeline流水线，开启数据读取的入站处理。此方法的返回通道自身用于链式调用。

方法5. ChannelFuture write（Object o）此方法的作用为：启程出站流水处理，把处理后的最终数据写到底层Java NIO通道。此方法的返回值为出站处理的异步处理任务。

方法6. Channel flush()此方法的作用为：将缓冲区中的数据立即写出到对端。并不是每一次write操作都是将数据直接写出到对端，write操作的作用在大部分情况下仅仅是写入到操作系统的缓冲区，操作系统会将根据缓冲区的情况，决定什么时候把数据写到对端。而执行flush()方法立即将缓冲区的数据写到对端。

Channel通道的主要成员和方法

EmbeddedChannel仅仅是模拟入站与出站的操作，底层不进行实际的传输，不需要启动Netty服务器和客户端。除了不进行传输之外，EmbeddedChannel的其他的事件机制和处理流程和真正的传输通道是一模一样的。因此，使用它，开发人员可以在开发的过程中方便、快速地进行ChannelHandler业务处理器的单元测试。

方法1. writeInbound入站数据写到通道它的使用场景是：测试入站处理器。在测试入站处理器时（例如测试一个解码器），需要读取Inbound（入站）数据。可以调用writeInbound方法，向EmbeddedChannel写入一个入站二进制ByteBuf数据包，模拟底层的入站包。

方法2. readOutbound读取通道的出站数据它的使用场景是：测试出站处理器。在测试出站处理器时（例如测试一个编码器），需要查看处理过的结果数据。可以调用readOutbound方法，读取通道的最终出站结果，它是经过流水线一系列的出站处理后，最终的出站数据包。比较绕口，重复一遍，通过readOutbound，可以读取完成EmbeddedChannel最后一个出站处理器，处理后的ByteBuf二进制出站包。

提供了最为重要的两个方法为：writeInbound和readOutbound方法。

EmbeddedChannel嵌入式通道

详解Channel通道

在Reactor反应器经典模型中，反应器查询到IO事件后，分发到Handler业务处理器，由Handler完成IO操作和业务处理。整个的IO处理操作环节包括：从通道读数据包、数据包解码、业务处理、目标数据编码、把数据包写到通道，然后由通道发送到对端。前后两个环节，从通道读数据包和由通道发送到对端，由Netty的底层负责完成，不需要用户程序负责。用户程序主要在Handler业务处理器中，Handler涉及的环节为：数据包解码、业务处理、目标数据编码、把数据包写到通道中。

入站和出站：· 入站处理，触发的方向为：自底向上，Netty的内部（如通道）到ChannelInboundHandler入站处理器。· 出站处理，触发的方向为：自顶向下，从ChannelOutboundHandler出站处理器到Netty的内部（如通道）。

1．channelRegistered当通道注册完成后，Netty会调用fireChannelRegistered，触发通道注册事件。通道会启动该入站操作的流水线处理，在通道注册过的入站处理器Handler的channelRegistered方法，会被调用到。2．channelActive当通道激活完成后，Netty会调用fireChannelActive，触发通道激活事件。通道会启动该入站操作的流水线处理，在通道注册过的入站处理器Handler的channelActive方法，会被调用到。3．channelRead当通道缓冲区可读，Netty会调用fireChannelRead，触发通道可读事件。通道会启动该入站操作的流水线处理，在通道注册过的入站处理器Handler的channelRead方法，会被调用到。4．channelReadComplete当通道缓冲区读完，Netty会调用fireChannelReadComplete，触发通道读完事件。通道会启动该入站操作的流水线处理，在通道注册过的入站处理器Handler的channelReadComplete方法，会被调用到。5．channelInactive当连接被断开或者不可用，Netty会调用fireChannelInactive，触发连接不可用事件。通道会启动对应的流水线处理，在通道注册过的入站处理器Handler的channelInactive方法，会被调用到。6．exceptionCaught当通道处理过程发生异常时，Netty会调用fireExceptionCaught，触发异常捕获事件。通道会启动异常捕获的流水线处理，在通道注册过的处理器Handler的exceptionCaught方法，会被调用到。注意，这个方法是在通道处理器中ChannelHandler定义的方法，入站处理器、出站处理器接口都继承到了该方法。

在Netty中，它的默认实现为ChannelInboundHandlerAdapter，在实际开发中，只需要继承这个ChannelInboundHandlerAdapter默认实现，重写自己需要的方法即可。

ChannelHandler中的回调方法的执行顺序为：handlerAdded()→channelRegistered() → channelActive() → 入站方法回调 → channelInactive() →channelUnregistered()→ handlerRemoved()。其中，读数据的入站回调为：channelRead() →channelReadComplete()；入站方法会多次调用，每一次有ByteBuf数据包入站都会调用到。

除了两个入站回调方法外，其余的6个方法都和ChannelHandler的生命周期有关，具体的介绍如下：（1）handlerAdded() ：当业务处理器被加入到流水线后，此方法被回调。也就是在完成ch.pipeline().addLast(handler)语句之后，会回调handlerAdded()。（2）channelRegistered()：当通道成功绑定一个NioEventLoop线程后，会通过流水线回调所有业务处理器的channelRegistered()方法。（3）channelActive()：当通道激活成功后，会通过流水线回调所有业务处理器的channelActive()方法。通道激活成功指的是，所有的业务处理器添加、注册的异步任务完成，并且NioEventLoop线程绑定的异步任务完成。（4）channelInactive()：当通道的底层连接已经不是ESTABLISH状态，或者底层连接已经关闭时，会首先回调所有业务处理器的channelInactive()方法。（5）channelUnregistered()：通道和NioEventLoop线程解除绑定，移除掉对这条通道的事件处理之后，回调所有业务处理器的channelUnregistered ()方法。（6）handlerRemoved()：最后，Netty会移除掉通道上所有的业务处理器，并且回调所有的业务处理器的handlerRemoved()方法。在上面的6个生命周期方法中，前面3个在通道创建的时候被先后回调，后面3个在通道关闭的时候会先后被回调。

除了生命周期的回调，就是入站和出站处理的回调。对于Inhandler入站处理器，有两个很重要的回调方法为：（1）channelRead()：有数据包入站，通道可读。流水线会启动入站处理流程，从前向后，入站处理器的channelRead()方法会被依次回调到。（2）channelReadComplete()：流水线完成入站处理后，会从前向后，依次回调每个入站处理器的channelReadComplete()方法，表示数据读取完毕。

ChannelInboundHandler的执行回调流程：

ChannelInboundHandler通道入站处理器（几个重要方法）：

6．disConnect断开服务器连接：断开底层Java IO通道的服务器端连接。如果使用TCP传输协议，此方法主要用于客户端。7．close主动关闭通道：关闭底层的通道，例如服务器端的新连接监听通道。上面介绍的并不是ChannelOutboundHandler的全部方法，仅仅介绍了其中几个比较重要的方法。在Netty中，它的默认实现为ChannelOutboundHandlerAdapter，在实际开发中，只需要继承这个ChannelOutboundHandlerAdapter默认实现，重写自己需要的方法即可。

1．bind监听地址（IP+端口）绑定：完成底层Java IO通道的IP地址绑定。如果使用TCP传输协议，这个方法用于服务器端。2．connect连接服务端：完成底层Java IO通道的服务器端的连接操作。如果使用TCP传输协议，这个方法用于客户端。3．write写数据到底层：完成Netty通道向底层Java IO通道的数据写入操作。此方法仅仅是触发一下操作而已，并不是完成实际的数据写入操作。4．flush腾空缓冲区中的数据，把这些数据写到对端：将底层缓存区的数据腾空，立即写出到对端。5．read从底层读数据：完成Netty通道从Java IO通道的数据读取。6．disConnect断开服务器连接：断开底层Java IO通道的服务器端连接。如果使用TCP传输协议，此方法主要用于客户端。7．close主动关闭通道：关闭底层的通道，例如服务器端的新连接监听通道。

在Netty中，它的默认实现为ChannelOutboundHandlerAdapter，在实际开发中，只需要继承这个ChannelOutboundHandlerAdapter默认实现，重写自己需要的方法即可。

ChannelOutboundHandler通道出站处理器（几个重要方法）：

ChannelInitializer也是通道初始化器，属于入站处理器的类型。在示例代码中，使用了ChannelInitializer的initChannel() 方法。它是何方神圣呢？initChannel()方法是ChannelInitializer定义的一个抽象方法，这个抽象方法需要开发人员自己实现。在父通道调用initChannel()方法时，会将新接收的通道作为参数，传递给initChannel()方法。initChannel()方法内部大致的业务代码是：拿到新连接通道作为实际参数，往它的流水线中装配Handler业务处理器。

ChannelInitializer通道初始化处理器

详解Handler业务处理器

一条Netty通道需要很多的Handler业务处理器来处理业务。每条通道内部都有一条流水线（Pipeline）将Handler装配起来。Netty的业务处理器流水线ChannelPipeline是基于责任链设计模式（Chain of Responsibility）来设计的，内部是一个双向链表结构，能够支持动态地添加和删除Handler业务处理器。

按照inBoundHandler的加载顺序来依次执行inBoundChannel的方法，如先加载SimpleInBoundHandlerA，再加载SimpleInBoundHandlerB，就会先执行A的channelRead方法，再执行B的channelRread方法

Pipeline入站处理

outBoundHandler的处理顺序和加载顺序相反

Pipeline出站处理

在Handler业务处理器被添加到流水线中时，会创建一个通道处理器上下文ChannelHandlerContext，它代表了ChannelHandler通道处理器和ChannelPipeline通道流水线之间的关联。

ChannelHandlerContext中包含了有许多方法，主要可以分为两类：第一类是获取上下文所关联的Netty组件实例，如所关联的通道、所关联的流水线、上下文内部Handler业务处理器实例等；第二类是入站和出站处理方法。

在Channel、ChannelPipeline、ChannelHandlerContext三个类中，会有同样的出站和入站处理方法，同一个操作出现在不同的类中，功能有何不同呢？如果通过Channel或ChannelPipeline的实例来调用这些方法，它们就会在整条流水线中传播。然而，如果是通过ChannelHandlerContext通道处理器上下文进行调用，就只会从当前的节点开始执行Handler业务处理器，并传播到同类型处理器的下一站（节点）。思考：所以入站和出战，需要传递到下一个节点，可调用super.xxx方法或者ctx.xxx方法

Channel、Handler、ChannelHandlerContext三者的关系为：Channel通道拥有一条ChannelPipeline通道流水线，每一个流水线节点为一个ChannelHandlerContext通道处理器上下文对象，每一个上下文中包裹了一个ChannelHandler通道处理器。在ChannelHandler通道处理器的入站/出站处理方法中，Netty都会传递一个Context上下文实例作为实际参数。通过Context实例的实参，在业务处理中，可以获取ChannelPipeline通道流水线的实例或者Channel通道的实例。

ChannelHandlerContext上下文

入站流水线截断：（1）不调用supper.channelXxx（ChannelHandlerContext…）（2）也不调用ctx.fireChannelXxx()

出站流水线截断：出站处理流程只要开始执行，就不能被截断。强行截断的话，Netty会抛出异常。如果业务条件不满足，可以不启动出站处理。

截断流水线的处理

Netty中的处理器流水线是一个双向链表。在程序执行过程中，可以动态进行业务处理器的热拔插：动态地增加、删除流水线上的业务处理器Handler。主要的Handler热拔插方法声明在ChannelPipeline接口中

Netty中的例子：Netty的通道初始化处理器——ChannelInitializer，在它的注册回调channelRegistered方法中，就使用了ctx.pipeline().remove(this)，将自己从流水线中删除

Handler业务处理器的热拔插

详解Pipeline流水线

属性：· readerIndex（读指针）：指示读取的起始位置。每读取一个字节，readerIndex自动增加1。一旦readerIndex与writerIndex相等，则表示ByteBuf不可读了。· writerIndex（写指针）：指示写入的起始位置。每写一个字节，writerIndex自动增加1。一旦增加到writerIndex与capacity()容量相等，则表示ByteBuf已经不可写了。capacity()是一个成员方法，不是一个成员属性，它表示ByteBuf中可以写入的容量。注意，它不是最大容量maxCapacity。· maxCapacity（最大容量）：表示ByteBuf可以扩容的最大容量。当向ByteBuf写数据的时候，如果容量不足，可以进行扩容。扩容的最大限度由maxCapacity的值来设定，超过maxCapacity就会报错。

第一组：容量系列· capacity()：表示ByteBuf的容量，它的值是以下三部分之和：废弃的字节数、可读字节数和可写字节数。· maxCapacity()：表示ByteBuf最大能够容纳的最大字节数。当向ByteBuf中写数据的时候，如果发现容量不足，则进行扩容，直到扩容到maxCapacity设定的上限。

第二组：写入系列· isWritable() ：表示ByteBuf是否可写。如果capacity()容量大于writerIndex指针的位置，则表示可写，否则为不可写。注意：如果isWritable()返回false，并不代表不能再往ByteBuf中写数据了。如果Netty发现往ByteBuf中写数据写不进去的话，会自动扩容ByteBuf。· writableBytes() ：取得可写入的字节数，它的值等于容量capacity()减去writerIndex。· maxWritableBytes() ：取得最大的可写字节数，它的值等于最大容量maxCapacity减去writerIndex。· writeBytes(byte[] src) ：把src字节数组中的数据全部写到ByteBuf。这是最为常用的一个方法。· writeTYPE(TYPE value）：写入基础数据类型的数据。TYPE表示基础数据类型，包含了8大基础数据类型。具体如下：writeByte()、 writeBoolean()、writeChar()、writeShort()、writeInt()、writeLong()、writeFloat()、writeDouble().· setTYPE(TYPE value）：基础数据类型的设置，不改变writerIndex指针值，包含了8大基础数据类型的设置。具体如下：setByte()、 setBoolean()、setChar()、setShort()、setInt()、setLong()、setFloat()、setDouble()。setType系列与writeTYPE系列的不同：setType系列不改变写指针writerIndex的值；writeTYPE系列会改变写指针writerIndex的值。· markWriterIndex()与resetWriterIndex()：这两个方法一起介绍。前一个方法表示把当前的写指针writerIndex属性的值保存在markedWriterIndex属性中；后一个方法表示把之前保存的markedWriterIndex的值恢复到写指针writerIndex属性中。markedWriterIndex属性相当于一个暂存属性，也定义在AbstractByteBuf抽象基类中。

知识点：get方法不会影响readIndex

第三组：读取系列· isReadable( ) ：返回ByteBuf是否可读。如果writerIndex指针的值大于readerIndex指针的值，则表示可读，否则为不可读。· readableBytes( ) ：返回表示ByteBuf当前可读取的字节数，它的值等于writerIndex减去readerIndex。· readBytes(byte[] dst)：读取ByteBuf中的数据。将数据从ByteBuf读取到dst字节数组中，这里dst字节数组的大小，通常等于readableBytes()。这个方法也是最为常用的一个方法之一。· readType()：读取基础数据类型，可以读取8大基础数据类型。具体如下：readByte()、readBoolean()、readChar()、readShort()、readInt()、readLong()、readFloat()、readDouble()。· getTYPE(TYPE value）：读取基础数据类型，并且不改变指针值。具体如下：getByte()、getBoolean()、getChar()、getShort()、getInt()、getLong()、getFloat()、getDouble()。getType系列与readTYPE系列的不同：getType系列不会改变读指针readerIndex的值；readTYPE系列会改变读指针readerIndex的值。· markReaderIndex( )与resetReaderIndex( ) ：这两个方法一起介绍。前一个方法表示把当前的读指针ReaderIndex保存在markedReaderIndex属性中。后一个方法表示把保存在markedReaderIndex属性的值恢复到读指针ReaderIndex中。markedReaderIndex属性定义在AbstractByteBuf抽象基类中。

三组方法

Netty的ByteBuf的内存回收工作是通过font color=\"#ff0000\

什么是Pooled（池化）的ByteBuf缓冲区呢？在通信程序的执行过程中，Buffer缓冲区实例会被频繁创建、使用、释放。大家都知道，频繁创建对象、内存分配、释放内存，系统的开销大、性能低，如何提升性能、提高Buffer实例的使用率呢？从Netty4版本开始，新增了对象池化的机制。即创建一个Buffer对象池，将没有被引用的Buffer对象，放入对象缓存池中；当需要时，则重新从对象缓存池中取出，而不需要重新创建。

引用计数的大致规则如下：在默认情况下，当创建完一个ByteBuf时，它的引用为1；每次调用retain()方法，它的引用就加1；每次调用release()方法，就是将引用计数减1；如果引用为0，再次访问这个ByteBuf对象，将会抛出异常；如果引用为0，表示这个ByteBuf没有哪个进程引用它，它占用的内存需要回收。

为了确保引用计数不会混乱，在Netty的业务处理器开发过程中，应该坚持一个原则：retain和release方法应该结对使用。如果retain和release这两个方法，一次都不调用呢？则在缓冲区使用完成后，调用一次release，就是释放一次。例如在Netty流水线上，中间所有的Handler业务处理器处理完ByteBuf之后直接传递给下一个，由最后一个Handler负责调用release来释放缓冲区的内存空间。

ByteBuf的引用计数

Netty通过ByteBufAllocator分配器来创建缓冲区和分配内存空间。Netty提供了ByteBufAllocator的两种实现：PoolByteBufAllocator和UnpooledByteBufAllocator。PoolByteBufAllocator（池化ByteBuf分配器）将ByteBuf实例放入池中，提高了性能，将内存碎片减少到最小；这个池化分配器采用了jemalloc高效内存分配的策略，该策略被好几种现代操作系统所采用。UnpooledByteBufAllocator是普通的未池化ByteBuf分配器，它没有把ByteBuf放入池中，每次被调用时，返回一个新的ByteBuf实例；通过Java的垃圾回收机制回收。

在Netty中，默认的分配器为ByteBufAllocator.DEFAULT，可以通过Java系统参数（System Property）的选项io.netty.allocator.type进行配置，配置时使用字符串值：\"unpooled\

ByteBuf的Allocator分配器

堆缓冲区，Heap ByteBuf，内部数据为一个Java数组，存储在JVM的堆空间中，通过hasArray来判断是不是堆缓存区。优点：未使用池化的情况下，能提供快速的分配和释放。不足：写入底层传输通道之前，都会复制到直接缓冲区。

· Direct Memory不属于Java堆内存，所分配的内存其实是调用操作系统malloc()函数来获得的；由Netty的本地内存堆Native堆进行管理。· Direct Memory容量可通过-XX:MaxDirectMemorySize来指定，如果不指定，则默认与Java堆的最大值（-Xmx指定）一样。注意：并不是强制要求，有的JVM默认Direct Memory与-Xmx无直接关系。· Direct Memory的使用避免了Java堆和Native堆之间来回复制数据。在某些应用场景中提高了性能。· 在需要频繁创建缓冲区的场合，由于创建和销毁Direct Buffer（直接缓冲区）的代价比较高昂，因此不宜使用Direct Buffer。也就是说，Direct Buffer尽量在池化分配器中分配和回收。如果能将Direct Buffer进行复用，在读写频繁的情况下，就可以大幅度改善性能。· 对Direct Buffer的读写比Heap Buffer快，但是它的创建和销毁比普通Heap Buffer慢。· 在Java的垃圾回收机制回收Java堆时，Netty框架也会释放不再使用的Direct Buffer缓冲区，因为它的内存为堆外内存，所以清理的工作不会为Java虚拟机（JVM）带来压力。注意一下垃圾回收的应用场景：（1）垃圾回收仅在Java堆被填满，以至于无法为新的堆分配请求提供服务时发生；（2）在Java应用程序中调用System.gc()函数来释放内存。

直接缓冲区，Direct ByteBuf，内部数据存储在操作系统的物理内存中。优点：能获取超过JVM堆限制大小的内存空间；写入传输通道比堆缓冲区更快不足：释放和分配空间昂贵（使用系统的方法）；在Java中操作时需要先复制到堆上

CompositeBuffer，多个缓冲区的组合表示优点：方便一次操作多个缓冲区实例

Heap ByteBuf 和 Direct ByteBuf的不同：· 创建的方法不同：Heap ByteBuf通过调用分配器的buffer()方法来创建；而Direct ByteBuf的创建，是通过调用分配器的directBuffer()方法。· Heap ByteBuf缓冲区可以直接通过array()方法读取内部数组；而Direct ByteBuf缓冲区不能读取内部数组。· 可以调用hasArray()方法来判断是否为Heap ByteBuf类型的缓冲区；如果hasArray()返回值为true，则表示是Heap堆缓冲，否则就不是。注意，如果hasArray()返回false，不一定代表缓冲区一定就是Direct ByteBuf直接缓冲区，也有可能是CompositeByteBuf缓冲区。如果内部只存在一个实例，则CompositeByteBuf中的hasArray()方法，将返回这个唯一实例的hasArray()方法的值；如果有多个实例，CompositeByteBuf中的hasArray()方法返回false。· Direct ByteBuf要读取缓冲数据进行业务处理，相对比较麻烦，需要通过getBytes/readBytes等方法先将数据复制到Java的堆内存，然后进行其他的计算。

ByteBuf缓冲区类型

方式二：SimpleChannelInboundHandler自动释放如果Handler业务处理器需要截断流水线的处理流程，不将ByteBuf数据包送入后边的InboundHandler入站处理器，这时，流水线末端的TailHandler末尾处理器自动释放缓冲区的工作自然就失效了。在这种场景下，Handler业务处理器有两种选择：· 手动释放ByteBuf实例。· 继承SimpleChannelInboundHandler，利用它的自动释放功能。

出站

ByteBuf 的自动释放

详解ByteBuf缓冲区

ByteBuf的浅层复制分为两种，有切片（slice）浅层复制和整体（duplicate）浅层复制。

ByteBuf浅层复制

Netty原理与基础

ByteBuf 转 POJO，需要在处理器自行解决需记录读取数据状态，所以不能使用共享模式

ByteToMessageDecoder

POJO 转 POJO

MessageToMessageDecoder

（1）固定长度数据包解码器——FixedLengthFrameDecoder适用场景：每个接收到的数据包的长度，都是固定的，例如100个字节。在这种场景下，只需要把这个解码器加到流水线中，它会把入站ByteBuf数据包拆分成一个个长度为100的数据包，然后发往下一个channelHandler入站处理器。补充说明一下：这里所指的一个数据包，在Netty中就是一个ByteBuf实例。注：数据帧（Frame），本书也通称为数据包。

（2）行分割数据包解码器——LineBasedFrameDecoder适用场景：每个ByteBuf数据包，使用换行符（或者回车换行符）作为数据包的边界分割符。即 \"\\"或“\\”如果每个接收到的数据包，都以换行符/回车换行符作为分隔。在这种场景下，只需要把这个解码器加到流水线中，Netty会使用换行分隔符，把ByteBuf数据包分割成一个一个完整的应用层ByteBuf数据包，再发送到下一站。

（3）自定义分隔符数据包解码器——DelimiterBasedFrameDecoderDelimiterBasedFrameDecoder是LineBasedFrameDecoder按照行分割的通用版本。不同之处在于，这个解码器更加灵活，可以自定义分隔符，而不是局限于换行符。如果使用这个解码器，那么接收到的数据包，末尾必须带上对应的分隔符。

（4）自定义长度数据包解码器——LengthFieldBasedFrameDecoder这是一种基于灵活长度的解码器。在ByteBuf数据包中，加了一个长度字段，保存了原始数据包的长度。解码的时候，会按照这个长度进行原始数据包的提取。

开箱即用的Netty内置Decoder

Decoder解码器因为底层存在状态，所以都不能使用共享模式

Encoder编码器

Decoder与Encoder重要组件

Netty权威指南