网络编程三-原生JDK的BIO以及应用（上）-阿里云开发者社区

一、原生JDK的IO模型BIO

服务端提供IP和监听端口，客户端通过连接操作想服务端监听的地址发起连接请求，通过三次握手连接，如果连接成功建立，双方就可以通过套接字进行通信。

传统的同步阻塞模型开发中，ServerSocket负责绑定IP地址，启动监听端口；Socket负责发起连接操作。连接成功后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信。

传统BIO通信模型：采用BIO通信模型的服务端，通常由一个独立的Acceptor线程负责监听客户端的连接，它接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理没处理完成后，通过输出流返回应答给客户端，线程销毁。即典型的一请求一应答模型。

代码示例:

/**
 *@author Darkking 
 *
 *类说明：Bio通信的服务端
 */
public class Server {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        /*服务器必备*/
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        /*绑定监听端口*/
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(10001));
        System.out.println("Server start.......");
        while(true){
            //每监听到一个客户端请求创建一个线程
           new Thread(new ServerTask(serverSocket.accept())).start();
        }
    }
    private static class ServerTask implements Runnable{
        private Socket socket = null;
        public ServerTask(Socket socket) {
            this.socket = socket;
        }
        @Override
        public void run() {
            /*拿和客户端通讯的输入输出流*/
            try(ObjectInputStream inputStream
                        = new ObjectInputStream(socket.getInputStream());
                ObjectOutputStream outputStream
             = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream())){
                /*服务器的输入*/
                String userName = inputStream.readUTF();
                System.out.println("Accept clinet message:"+userName);
                outputStream.writeUTF("Hello,"+userName);
                outputStream.flush();
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
            finally {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }

import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
/**
 *@author Darkking
 *
 *类说明：Bio通信的服务端
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //客户端启动必备
        Socket socket = null;
        //实例化与服务端通信的输入输出流
        ObjectOutputStream output = null;
        ObjectInputStream input = null;
        //服务器的通信地址
        InetSocketAddress addr
                = new InetSocketAddress("127.0.0.1",10001);
        try{
            socket = new Socket();
            /*连接服务器*/
            socket.connect(addr);
            output = new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream());
            input = new ObjectInputStream(socket.getInputStream());
            /*向服务器输出请求*/
            output.writeUTF("Darkking");
            output.flush();
            //接收服务器的输出
            System.out.println(input.readUTF());
        }finally{
            if (socket!=null) socket.close();
            if (output!=null) output.close();
            if (input!=null) input.close();
        }
    }
}

该模型最大的问题就是缺乏弹性伸缩能力，当客户端并发访问量增加后，服务端的线程个数和客户端并发访问数呈1:1的正比关系，Java中的线程也是比较宝贵的系统资源，线程数量快速膨胀后，系统的性能将急剧下降，随着访问量的继续增大，系统最终就死-掉-了。

为了改进这种一连接一线程的模型，我们可以使用线程池来管理这些线程，实现1个或多个线程处理N个客户端的模型（但是底层还是使用的同步阻塞I/O），通常被称为“伪异步I/O模型“。

我们知道，如果使用CachedThreadPool线程池（如果不太了解线程池，可以查看之前的并发专题线程池的使用），其实除了能自动帮我们管理线程（复用），看起来也就像是1:1的客户端：线程数模型，而使用FixedThreadPool我们就有效的控制了线程的最大数量，保证了系统有限的资源的控制，实现了N:M的伪异步I/O模型。

但是，正因为限制了线程数量，如果发生读取数据较慢时（比如数据量大、网络传输慢等），大量并发的情况下，其他接入的消息，只能一直等待，这就是最大的弊端。

服务端改进代码如下:

mport java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
 *@author Darkking
 *
 *类说明：Bio通信的服务端
 */
public class ServerPool {
    //创建指定线程数的线程池，线程数量为cpu数
    private static ExecutorService executorService
            = Executors.newFixedThreadPool(
                    Runtime.getRuntime().availableProcessors());
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //服务端启动必备
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        //表示服务端在哪个端口上监听
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(10001));
        System.out.println("Start Server ....");
        try{
            while(true){
                executorService.execute(new ServerTask(serverSocket.accept()));
            }
        }finally {
            serverSocket.close();
        }
    }
    //每个和客户端的通信都会打包成一个任务，交个一个线程来执行
    private static class ServerTask implements Runnable{
        private Socket socket = null;
        public ServerTask(Socket socket){
            this.socket = socket;
        }
        @Override
        public void run() {
            //实例化与客户端通信的输入输出流
            try(ObjectInputStream inputStream =
                    new ObjectInputStream(socket.getInputStream());
                ObjectOutputStream outputStream =
                    new ObjectOutputStream(socket.getOutputStream())){
                //接收客户端的输出，也就是服务器的输入
                String userName = inputStream.readUTF();
                System.out.println("Accept client message:"+userName);
                //服务器的输出，也就是客户端的输入
                outputStream.writeUTF("Hello,"+userName);
                outputStream.flush();
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                try {
                    socket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

二、BIO应用-RPC框架

为什么要有RPC？

我们最开始开发的时候，一个应用一台机器，将所有功能都写在一起，比如说比较常见的电商场景。

随着我们业务的发展，我们需要提示性能了，我们会怎么做？将不同的业务功能放到线程里来实现异步和提升性能。

但是业务越来越复杂，业务量越来越大，单个应用或者一台机器的资源是肯定背负不起的，这个时候，我们会怎么做？将核心业务抽取出来，作为独立的服务，放到其他服务器上或者形成集群。这个时候就会请出RPC，系统变为分布式的架构。

为什么说千万级流量分布式、微服务架构必备的RPC框架？和LocalCall的代码进行比较，因为引入rpc框架对我们现有的代码影响最小，同时又可以帮我们实现架构上的扩展。现在的开源rpc框架，有什么？dubbo，grpc等等

当服务越来越多，各种rpc之间的调用会越来越复杂，这个时候我们会引入中间件，比如说MQ、缓存，同时架构上整体往微服务去迁移，引入了各种比如容器技术docker，DevOps等等。最终会变为如图所示来应付千万级流量，但是不管怎样，rpc总是会占有一席之地。

什么是RPC？

RPC（Remote Procedure Call ——远程过程调用），它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络的技术。

一次完整的RPC同步调用流程：

1）服务消费方（client）以本地调用方式调用客户端存根；

2）什么叫客户端存根？就是远程方法在本地的模拟对象，一样的也有方法名，也有方法参数，client stub接收到调用后负责将方法名、方法的参数等包装，并将包装后的信息通过网络发送到服务端；

3）服务端收到消息后，交给代理存根在服务器的部分后进行解码为实际的方法名和参数

4） server stub根据解码结果调用服务器上本地的实际服务；

5）本地服务执行并将结果返回给server stub；

6）server stub将返回结果打包成消息并发送至消费方；

7）client stub接收到消息，并进行解码；

8）服务消费方得到最终结果。

RPC框架的目标就是要中间步骤都封装起来，让我们进行远程方法调用的时候感觉到就像在本地调用一样。

RPC和HTTP

rpc字面意思就是远程过程调用，只是对不同应用间相互调用的一种描述，一种思想。具体怎么调用？实现方式可以是最直接的tcp通信，也可以是http方式，在很多的消息中间件的技术书籍里，甚至还有使用消息中间件来实现RPC调用的，我们知道的dubbo是基于tcp通信的，gRPC是Google公布的开源软件，基于最新的HTTP2.0协议，底层使用到了Netty框架的支持。所以总结来说，rpc和http是完全两个不同层级的东西，他们之间并没有什么可比性。

实现RPC框架

实现RPC框架需要解决的那些问题呢？

代理问题

代理本质上是要解决什么问题？要解决的是被调用的服务本质上是远程的服务，但是调用者不知道也不关心，调用者只要结果，具体的事情由代理的那个对象来负责这件事。既然是远程代理，当然是要用代理模式了。

代理(Proxy)是一种设计模式,即通过代理对象访问目标对象.这样做的好处是:可以在目标对象实现的基础上,增强额外的功能操作,即扩展目标对象的功能。那我们这里额外的功能操作是干什么，通过网络访问远程服务。

jdk的代理有两种实现方式：静态代理和动态代理。

序列化问题

序列化问题在计算机里具体是什么呢？我们的方法调用，有方法名，方法参数，这些可能是字符串，可能是我们自己定义的java的类，但是在网络上传输或者保存在硬盘的时候，网络或者硬盘并不认得什么字符串或者javabean，它只认得二进制的01串，怎么办？要进行序列化，网络传输后要进行实际调用，就要把二进制的01串变回我们实际的java的类，这个叫反序列化。java里已经为我们提供了相关的机制Serializable。

通信问题

我们在用序列化把东西变成了可以在网络上传输的二进制的01串，但具体如何通过网络传输？那就要使用JDK为我们提供的BIO或者其他IO。

登记的服务实例化

登记的服务有可能在我们的系统中就是一个名字，那他怎么变成实际执行的对象实例，当然是使用JAVA的反射机制。

反射机制是什么？

反射机制是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意一个方法和属性；这种动态获取的信息以及动态调用对象的方法的功能称为java语言的反射机制。

反射机制主要提供了以下功能：

•在运行时判断任意一个对象所属的类；

•在运行时构造任意一个类的对象；

•在运行时判断任意一个类所具有的成员变量和方法；

•在运行时调用任意一个对象的方法；

•生成动态代理。

手写RPC框架

了解原理之后接下来我们就手写一个简单地RPC框架，包括服务注册发现（服务治理）。服务端提供发送短信接口服务，注册到注册中心，供客户端调用

注：RPC只是指远程过程调用，能满足远程服务调用的都可以说是支持RPC。服务治理是一种实现模式。是为了对远程服务更好地进行管理而产生的。

1、服务注册中心类

/**
 *@author Darkking
 * 类说明：注册中心注册服务的实体类
 */
public class RegisterServiceVo implements Serializable {
    private final String host;//服务提供者的ip地址
    private final int port;//服务提供者的端口
    public RegisterServiceVo(String host,int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
    }
    public String getHost() {
        return host;
    }
    public int getPort() {
        return port;
    }
}
/**
 *@author Darkking
 * 类说明：服务注册中心，服务提供者在启动时需要在注册中心登记自己的信息
 */
public class RegisterCenter {
    //key表示服务名，value代表服务提供者地址的集合
    private static final Map<String,Set<RegisterServiceVo>> serviceHolder
            = new HashMap<>();
    //注册服务的端口号
    private int port;
    public RegisterCenter(int port) {
        this.port = port;
    }
    //服务注册，考虑到可能有多个提供者同时注册，进行加锁
    private static synchronized void registerSerive(String serviceName,
                                String host,int port){
        //获得当前服务的已有地址集合
        Set<RegisterServiceVo> serviceVoSet = serviceHolder.get(serviceName);
        if(serviceVoSet==null){
            //已有地址集合为空，新增集合
            serviceVoSet = new HashSet<>();
            serviceHolder.put(serviceName,serviceVoSet);
        }
        //将新的服务提供者加入集合
        serviceVoSet.add(new RegisterServiceVo(host,port));
        System.out.println("服务已注册["+serviceName+"]，" +
                "地址["+host+"]，端口["+port+"]");
    }
    //取出服务提供者
    private static Set<RegisterServiceVo> getService(String serviceName){
        return serviceHolder.get(serviceName);
    }
    //处理服务请求的任务
    private static class ServerTask implements Runnable{
        private Socket client = null;
        public ServerTask(Socket client){
            this.client = client;
        }
        public void run() {
            try(ObjectInputStream inputStream =
                        new ObjectInputStream(client.getInputStream());
                ObjectOutputStream outputStream =
                        new ObjectOutputStream(client.getOutputStream())){
                //检查当前请求是注册服务还是获得服务
                boolean isGetService = inputStream.readBoolean();
                /*获得服务提供者*/
                if(isGetService){
                    String serviceName = inputStream.readUTF();
                    //取出服务提供者集合
                    Set<RegisterServiceVo> result = getService(serviceName);
                    //返回给客户端
                    outputStream.writeObject(result);
                    outputStream.flush();
                    System.out.println("将已注册的服务["+serviceName+"提供给客户端");
                }
                /*注册服务*/
                else{
                    //取得新服务提供方的ip和端口
                    String serviceName = inputStream.readUTF();
                    String host = inputStream.readUTF();
                    int port = inputStream.readInt();
                    //在注册中心保存
                    registerSerive(serviceName,host,port);
                    outputStream.writeBoolean(true);
                    outputStream.flush();
                }
            }catch(Exception e){
                e.printStackTrace();
            }finally {
                try {
                    client.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    //启动注册服务
    public void startService() throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
        System.out.println("RegisterCenter server on:"+port+":运行");
        try{
            while(true){
                new Thread(new ServerTask(serverSocket.accept())).start();
            }
        }finally {
            serverSocket.close();
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                try{
                    RegisterCenter serviceServer = new RegisterCenter(9999);
                    serviceServer.startService();
                }catch(IOException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }

2、服务端

对象实体类

/**
 *@author Darkking
 * 类说明：注册中心注册服务的实体类
 */
public class RegisterServiceVo implements Serializable {
    private final String host;//服务提供者的ip地址
    private final int port;//服务提供者的端口
    public RegisterServiceVo(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
    }
    public String getHost() {
        return host;
    }
    public int getPort() {
        return port;
    }
}
/**
 *@author Darkking
 *
 *类说明：用户的实体类，已实现序列化
 */
public class UserInfo implements Serializable {
    private final String name;
    private final String phone;
    public UserInfo(String name, String phone) {
        this.name = name;
        this.phone = phone;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public String getPhone() {
        return phone;
    }
}

网络编程三-原生JDK的BIO以及应用（上）

一、原生JDK的IO模型BIO

二、BIO应用-RPC框架

为什么要有RPC？

什么是RPC？

RPC和HTTP

实现RPC框架

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