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<title>11 如何实现高性能的异步网络传输？.md.html</title>
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<span>技术文章摘抄</span>
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<li><a href="../">上一级</a></li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/00 开篇词 优秀的程序员，你的技术栈中不能只有“增删改查”.md.html">00 开篇词 优秀的程序员，你的技术栈中不能只有“增删改查”</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/00 预习 怎样更好地学习这门课？.md.html">00 预习 怎样更好地学习这门课？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/01 为什么需要消息队列？.md.html">01 为什么需要消息队列？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/02 该如何选择消息队列？.md.html">02 该如何选择消息队列？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/03 消息模型：主题和队列有什么区别？.md.html">03 消息模型：主题和队列有什么区别？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/04 如何利用事务消息实现分布式事务？.md.html">04 如何利用事务消息实现分布式事务？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/05 如何确保消息不会丢失.md.html">05 如何确保消息不会丢失</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/06 如何处理消费过程中的重复消息？.md.html">06 如何处理消费过程中的重复消息？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/07 消息积压了该如何处理？.md.html">07 消息积压了该如何处理？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/08 答疑解惑（一） 网关如何接收服务端的秒杀结果？.md.html">08 答疑解惑（一） 网关如何接收服务端的秒杀结果？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/09 学习开源代码该如何入手？.md.html">09 学习开源代码该如何入手？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/10 如何使用异步设计提升系统性能？.md.html">10 如何使用异步设计提升系统性能？</a>
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</li>
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<li>
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<a class="current-tab" href="/专栏/消息队列高手课/11 如何实现高性能的异步网络传输？.md.html">11 如何实现高性能的异步网络传输？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/12 序列化与反序列化：如何通过网络传输结构化的数据？.md.html">12 序列化与反序列化：如何通过网络传输结构化的数据？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/13 传输协议：应用程序之间对话的语言.md.html">13 传输协议：应用程序之间对话的语言</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/14 内存管理：如何避免内存溢出和频繁的垃圾回收？.md.html">14 内存管理：如何避免内存溢出和频繁的垃圾回收？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/15 Kafka如何实现高性能IO？.md.html">15 Kafka如何实现高性能IO？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/16 缓存策略：如何使用缓存来减少磁盘IO？.md.html">16 缓存策略：如何使用缓存来减少磁盘IO？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/17 如何正确使用锁保护共享数据，协调异步线程？.md.html">17 如何正确使用锁保护共享数据，协调异步线程？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/18 如何用硬件同步原语（CAS）替代锁？.md.html">18 如何用硬件同步原语（CAS）替代锁？</a>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/19 数据压缩：时间换空间的游戏.md.html">19 数据压缩：时间换空间的游戏</a>
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</li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/20 RocketMQ Producer源码分析：消息生产的实现过程.md.html">20 RocketMQ Producer源码分析：消息生产的实现过程</a>
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</li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/21 Kafka Consumer源码分析：消息消费的实现过程.md.html">21 Kafka Consumer源码分析：消息消费的实现过程</a>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/22 Kafka和RocketMQ的消息复制实现的差异点在哪？.md.html">22 Kafka和RocketMQ的消息复制实现的差异点在哪？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/23 RocketMQ客户端如何在集群中找到正确的节点？.md.html">23 RocketMQ客户端如何在集群中找到正确的节点？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/24 Kafka的协调服务ZooKeeper：实现分布式系统的“瑞士军刀”.md.html">24 Kafka的协调服务ZooKeeper：实现分布式系统的“瑞士军刀”</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/25 RocketMQ与Kafka中如何实现事务？.md.html">25 RocketMQ与Kafka中如何实现事务？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/26 MQTT协议：如何支持海量的在线IoT设备.md.html">26 MQTT协议：如何支持海量的在线IoT设备</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/27 Pulsar的存储计算分离设计：全新的消息队列设计思路.md.html">27 Pulsar的存储计算分离设计：全新的消息队列设计思路</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/28 答疑解惑（二）：我的100元哪儿去了？.md.html">28 答疑解惑（二）：我的100元哪儿去了？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/29 流计算与消息（一）：通过Flink理解流计算的原理.md.html">29 流计算与消息（一）：通过Flink理解流计算的原理</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/30 流计算与消息（二）：在流计算中使用Kafka链接计算任务.md.html">30 流计算与消息（二）：在流计算中使用Kafka链接计算任务</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/31 动手实现一个简单的RPC框架（一）：原理和程序的结构.md.html">31 动手实现一个简单的RPC框架（一）：原理和程序的结构</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/32 动手实现一个简单的RPC框架（二）：通信与序列化.md.html">32 动手实现一个简单的RPC框架（二）：通信与序列化</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/33 动手实现一个简单的RPC框架（三）：客户端.md.html">33 动手实现一个简单的RPC框架（三）：客户端</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/34 动手实现一个简单的RPC框架（四）：服务端.md.html">34 动手实现一个简单的RPC框架（四）：服务端</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/35 答疑解惑（三）：主流消息队列都是如何存储消息的？.md.html">35 答疑解惑（三）：主流消息队列都是如何存储消息的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/加餐 JMQ的Broker是如何异步处理消息的？.md.html">加餐 JMQ的Broker是如何异步处理消息的？</a>
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</li>
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<li>
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<a href="/专栏/消息队列高手课/结束语 程序员如何构建知识体系？.md.html">结束语 程序员如何构建知识体系？</a>
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</li>
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</ul>
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</div>
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}
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>11 如何实现高性能的异步网络传输？</h1>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>今天，咱们就来聊一聊这个话题。</p>
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<h2>理想的异步网络框架应该是什么样的？</h2>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>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，<strong>发送数据的时候同步发送就可以了，没有必要异步。</strong></p>
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<p>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。</p>
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<p><img src="assets/4c94c5e1e437ac087ef3b50acf8dceb2.jpg" alt="img" />
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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。</p>
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<p>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。</p>
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<p>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？</p>
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<p><strong>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？</strong></p>
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<p>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。</p>
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<p><img src="assets/49ca88d34fc5c4815d20189770cf76d6.jpg" alt="img" /></p>
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<p>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。</p>
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<p>实际上，有没有这么简单的框架呢？</p>
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<h2>使用 Netty 来实现异步网络通信</h2>
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<p>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。</p>
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<pre><code>// 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
|
||
ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind().sync();
|
||
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
|
||
} catch(Exception e){
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||
e.printStackTrace();
|
||
} finally {
|
||
group.shutdownGracefully().sync();
|
||
}
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||
</code></pre>
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<p>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：</p>
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<ol>
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<li>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。</li>
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||
<li>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。</li>
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||
<li>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。</li>
|
||
<li>最后就可以真正绑定本地端口，启动 Socket 服务了。</li>
|
||
</ol>
|
||
<p>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。</p>
|
||
<p>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。</p>
|
||
<p>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。</p>
|
||
<p>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。</p>
|
||
<p>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。</p>
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||
<h2>使用 NIO 来实现异步网络通信</h2>
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<p>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。</p>
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||
<p>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：</p>
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<ol>
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||
<li>线程在忙着处理收到的数据，这时候 Channel 中又收到了新数据；</li>
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||
<li>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。</li>
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</ol>
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<p><img src="assets/a8bb4e812db8601d54933771f3614350.jpg" alt="img" /></p>
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<p>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。</p>
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<p>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。</p>
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</div>
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</div>
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<div>
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<div style="float: left">
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<a href="/专栏/消息队列高手课/10 如何使用异步设计提升系统性能？.md.html">上一页</a>
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</div>
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<div style="float: right">
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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</div>
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console.log(cookie)
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document.getElementById("tip").innerHTML = "<a href='" + cookie + "'>跳转到上次进度</a>"
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} else {
|
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setCookie("lastPath", path)
|
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||
function setCookie(cname, cvalue) {
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var d = new Date();
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d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
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var expires = "expires=" + d.toGMTString();
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document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
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}
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function getCookie(cname) {
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var name = cname + "=";
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var ca = document.cookie.split(';');
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for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
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var c = ca[i].trim();
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if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
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}
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return "";
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}
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</script>
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</html>
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