对比Java标准NIO类库，你知道Netty是如何实现更高性能的吗？
# 第 38 讲 | 对比 Java 标准 NIO 类库，你知道 Netty 是如何实现更高性能的吗？
今天我会对 NIO 进行一些补充，在专栏第 11 讲中，我们初步接触了 Java 提供的几种 IO 机制，作为语言基础类库，Java 自身的 NIO 设计更偏底层，这本无可厚非，但是对于一线的应用开发者，其复杂性、扩展性等方面，就存在一定的局限了。在基础 NIO 之上，Netty 构建了更加易用、高性能的网络框架，广泛应用于互联网、游戏、电信等各种领域。
今天我要问你的问题是，对比 Java 标准 NIO 类库，你知道 Netty 是如何实现更高性能的吗？
# 典型回答
单独从性能角度，Netty 在基础的 NIO 等类库之上进行了很多改进，例如：
更加优雅的 Reactor 模式实现、灵活的线程模型、利用 EventLoop 等创新性的机制，可以非常高效地管理成百上千的 Channel。
充分利用了 Java 的 Zero-Copy 机制，并且从多种角度，“斤斤计较” 般的降低内存分配和回收的开销。例如，使用池化的 Direct Buffer 等技术，在提高 IO 性能的同时，减少了对象的创建和销毁；利用反射等技术直接操纵 SelectionKey，使用数组而不是 Java 容器等。
使用更多本地代码。例如，直接利用 JNI 调用 Open SSL 等方式，获得比 Java 内建 SSL 引擎更好的性能。
在通信协议、序列化等其他角度的优化。
总的来说，Netty 并没有 Java 核心类库那些强烈的通用性、跨平台等各种负担，针对性能等特定目标以及 Linux 等特定环境，采取了一些极致的优化手段。
# 考点分析
这是一个比较开放的问题，我给出的回答是个概要性的举例说明。面试官很可能利用这种开放问题作为引子，针对你回答的一个或者多个点，深入探讨你在不同层次上的理解程度。
在面试准备中，兼顾整体性的同时，不要忘记选定个别重点进行深入理解掌握，最好是进行源码层面的深入阅读和实验。如果你希望了解更多从性能角度 Netty 在编码层面的手段，可以参考 Norman 在 Devoxx 上的分享 (opens new window)，其中的很多技巧对于实现极致性能的 API 有一定借鉴意义，但在一般的业务开发中要谨慎采用。
虽然提到 Netty，人们会自然地想到高性能，但是 Netty 本身的优势不仅仅只有这一个方面，
下面我会侧重两个方面：
对 Netty 进行整体介绍，帮你了解其基本组成。
从一个简单的例子开始，对比在第 11 讲中基于 IO、NIO 等标准 API 的实例，分析它的技术要点，给你提供一个进一步深入学习的思路。
# 知识扩展
首先，我们从整体了解一下 Netty。按照官方定义，它是一个异步的、基于事件 Client/Server 的网络框架，目标是提供一种简单、快速构建网络应用的方式，同时保证高吞吐量、低延时、高可靠性。
从设计思路和目的上，Netty 与 Java 自身的 NIO 框架相比有哪些不同呢？
我们知道 Java 的标准类库，由于其基础性、通用性的定位，往往过于关注技术模型上的抽象，而不是从一线应用开发者的角度去思考。我曾提到过，引入并发包的一个重要原因就是，应用开发者使用 Thread API 比较痛苦，需要操心的不仅仅是业务逻辑，而且还要自己负责将其映射到 Thread 模型上。Java NIO 的设计也有类似的特点，开发者需要深入掌握线程、IO、网络等相关概念，学习路径很长，很容易导致代码复杂、晦涩，即使是有经验的工程师，也难以快速地写出高可靠性的实现。
Netty 的设计强调了 “Separation Of Concerns”，通过精巧设计的事件机制，将业务逻辑和无关技术逻辑进行隔离，并通过各种方便的抽象，一定程度上填补了了基础平台和业务开发之间的鸿沟，更有利于在应用开发中普及业界的最佳实践。
另外，Netty > java.nio + java. net！
从 API 能力范围来看，Netty 完全是 Java NIO 框架的一个大大的超集，你可以参考 Netty 官方的模块划分。
除了核心的事件机制等，Netty 还额外提供了很多功能，例如：
从网络协议的角度，Netty 除了支持传输层的 UDP、TCP、SCTP (opens new window) 协议，也支持 HTTP (s)、WebSocket 等多种应用层协议，它并不是单一协议的 API。
在应用中，需要将数据从 Java 对象转换成为各种应用协议的数据格式，或者进行反向的转换，Netty 为此提供了一系列扩展的编解码框架，与应用开发场景无缝衔接，并且性能良好。
它扩展了 Java NIO Buffer，提供了自己的 ByteBuf 实现，并且深度支持 Direct Buffer 等技术，甚至 hack 了 Java 内部对 Direct Buffer 的分配和销毁等。同时，Netty 也提供了更加完善的 Scatter/Gather 机制实现。
可以看到，Netty 的能力范围大大超过了 Java 核心类库中的 NIO 等 API，可以说它是一个从应用视角出发的产物。
当然，对于基础 API 设计，Netty 也有自己独到的见解，未来 Java NIO API 也可能据此进行一定的改进，如果你有兴趣可以参考 JDK-8187540 (opens new window)。
接下来，我们一起来看一个入门的代码实例，看看 Netty 应用到底是什么样子。
与第 11 讲类似，同样是以简化的 Echo Server 为例，下图是 Netty 官方提供的 Server 部分，完整用例请点击链接 (opens new window)。
上面的例子，虽然代码很短，但已经足够体现出 Netty 的几个核心概念，请注意我用红框标记出的部分：
ServerBootstrap (opens new window)，服务器端程序的入口，这是 Netty 为简化网络程序配置和关闭等生命周期管理，所引入的 Bootstrapping 机制。我们通常要做的创建 Channel、绑定端口、注册 Handler 等，都可以通过这个统一的入口，以 Fluent API 等形式完成，相对简化了 API 使用。与之相对应， Bootstrap (opens new window) 则是 Client 端的通常入口。
Channel (opens new window)，作为一个基于 NIO 的扩展框架，Channel 和 Selector 等概念仍然是 Netty 的基础组件，但是针对应用开发具体需求，提供了相对易用的抽象。
EventLoop (opens new window)，这是 Netty 处理事件的核心机制。例子中使用了 EventLoopGroup。我们在 NIO 中通常要做的几件事情，如注册感兴趣的事件、调度相应的 Handler 等，都是 EventLoop 负责。
ChannelFuture (opens new window)，这是 Netty 实现异步 IO 的基础之一，保证了同一个 Channel 操作的调用顺序。Netty 扩展了 Java 标准的 Future，提供了针对自己场景的特有 Future (opens new window) 定义。
ChannelHandler，这是应用开发者放置业务逻辑的主要地方，也是我上面提到的 “Separation Of Concerns” 原则的体现。
ChannelPipeline (opens new window)，它是 ChannelHandler 链条的容器，每个 Channel 在创建后，自动被分配一个 ChannelPipeline。在上面的示例中，我们通过 ServerBootstrap 注册了 ChannelInitializer，并且实现了 initChannel 方法，而在该方法中则承担了向 ChannelPipleline 安装其他 Handler 的任务。
你可以参考下面的简化示意图，忽略 Inbound/OutBound Handler 的细节，理解这几个基本单元之间的操作流程和对应关系。
对比 Java 标准 NIO 的代码，Netty 提供的相对高层次的封装，减少了对 Selector 等细节的操纵，而 EventLoop、Pipeline 等机制则简化了编程模型，开发者不用担心并发等问题，在一定程度上简化了应用代码的开发。最难能可贵的是，这一切并没有以可靠性、可扩展性为代价，反而将其大幅度提高。
我在专栏周末福利 (opens new window)中已经推荐了 Norman Maurer 等编写的《Netty 实战》（Netty In Action），如果你想系统学习 Netty，它会是个很好的入门参考。针对 Netty 的一些实现原理，很可能成为面试中的考点，例如：
Reactor 模式和 Netty 线程模型。
Pipelining、EventLoop 等部分的设计实现细节。
Netty 的内存管理机制、引用计数 (opens new window)等特别手段。
有的时候面试官也喜欢对比 Java 标准 NIO API，例如，你是否知道 Java NIO 早期版本中的 Epoll 空转问题 (opens new window)，以及 Netty 的解决方式等。
对于这些知识点，公开的深入解读已经有很多了，在学习时希望你不要一开始就被复杂的细节弄晕，可以结合实例，逐步、有针对性的进行学习。我的一个建议是，可以试着画出相应的示意图，非常有助于理解并能清晰阐述自己的看法。
今天，从 Netty 性能的问题开始，我概要地介绍了 Netty 框架，并且以 Echo Server 为例，对比了 Netty 和 Java NIO 在设计上的不同。但这些都仅仅是冰山的一角，全面掌握还需要下非常多的功夫。
# 一课一练
关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？今天的思考题是，Netty 的线程模型是什么样的？