Day13.高性能RPC设计 学习笔记1

1、引言

1. 系统架构演变
   随着互联网的发展，网站应用的规模不断扩大，常规的垂直应用（MVC）架构已没法应对，分布式服务架构以及流动计算架构（伸缩性）势在必行，亟需一个治理系统确保架构有条不紊的演进。
   

• 单一架构：例如早期servlet/jsp - ORM(对象关系映射) Hibernate|MyBatis
• 垂直架构：将一个应用分层，实现协同开发，便于后期项目升级维护 - MVC Struts1/2|SpringMVC
• 分布式服务：提高服务总体性能，将一些模块独立出去（SOA service orented architecture），独立运行，随着业务发展，不可避免须要调度第三方服务（物流信息、第三支付）。RPC - Remote Process Call （即时消息） webservice、Dubbo、SpringCloud
• 流动式计算架构:要求服务提供方可以根据负载状况，动态增长或者减小。同时实现服务可视化，简化服务运维，提高系统资源的利用率。 - SOA治理框架 微服务 - 对服务进行集中管理调控。

2. 高并发互联网设计原则 —— 高负载、高存储、高容错 也称 AKF拆分原则
X轴:服务水平扩展
   服务具备可复制性 ，水平分割 ，解决一些并发问题
   （水平拓展，比性能的垂直提高成本低-摩尔定律）
   Y轴：服务间各司其职
   弱耦合，垂直分割，物理节点物尽其用
   （泳道设计）
   Z轴:对x,y打包，进行物理隔离。
   X中有Y，Y中有X x和y互相转换
   y中有x：对y轴作垂直拆分，层与层间独立，为了保证每一层的可用性，每一层作水平分割

3. 高并发的场景问题 —— 优化思路
   如何让服务支持x轴的水平扩展，利用分布式的思惟解决高并发；如何作y中的垂直拆分，是应用之间尽量隔离，弱化服务件耦合度；结合两个维度来解决高并发的场景问题。（Socket + IO）

2、网络基础（TCP/IP）

• 网络编程：经过编码的方式，让不一样计算机之间相互通讯（数据的传递）。

• 两个核心问题：
  寻址问题：ip地址+port端口号
  协议问题：数据传输格式

• OSI 七层模型（标准，了解就好）
  

• OSI 五层模型（七层的转变）

• 协议
  http协议：应用层协议，超文本传输协议，不一样计算机间传输文本的协议（字符串），底层tcp协议
  tcp/ip协议：传输层协议

tcp协议：传输安全，效率低
udp协议：传输不安全，效率高

• 了解
  应用层（Http协议：WebService，tomcat协议）——普通程序员
  传输层（TCP/IP UDP：基于tcp/ip封装的ftp、smtp/pop三、websocket…定制协议rpc协议）——架构程序员 也是代码最终触及到的地方
  物理层（嵌入式开发）

3、传统 BIO 网络编程模型（TCP/IP）

1. IO模型分类

• BIO 同步阻塞IO
  传统IO 或者 Blocking IO
  特色：面向流Input | Output
  【每一个线程只能处理一个channel（同步的，该线程和该channel绑定）。
  线程发起IO请求，无论内核是否准备好IO操做，从发起请求起，线程一直阻塞，直到操做完成。】

• NIO 同步非阻塞IO
  New IO 或者Non Blocking IO
  特色：面向缓冲区Buffer（基于通道）
  【每一个线程能够处理多个channel（异步）。
  线程发起IO请求，当即返回；内核在作好IO操做的准备以后，经过调用注册的回调函数通知线程作IO操做，线程开始阻塞，直到操做完成 。】

• AIO（Async Non Blocking IO） 异步非阻塞
  【线程发起IO请求，当即返回；内存作好IO操做的准备以后，作IO操做，直到操做完成或者失败，经过调用注册的回调函数通知线程作IO操做完成或者失败 。】

2. BIO
   方向—— 输入、输出流（InputStream | OutputStream）
   类型—— 字节、字符流（Reader | Writer）
   功能—— 节点、过滤流（BufferedInputStream | BufferedOutputStream ）

3. BIO网络编程

• 服务端：ServerSocket 【接收和响应，请求转发 - ServerSocket、 请求响应- Socket】
  ①初始化服务器ServerSocket，绑定监听端口
  ②等待客户端链接serverSocket.accept();
  ③处理请求/响应sockect.getInputStream(); / socket.getOutputStream();
  ④关闭资源

• 客户端：Socket 【发送和接收，发送请求|接收响应：Socket】
  ①初始化客户端Socket，绑定服务器IP/端口
  ②发起请求/获取响应socket.getOutputStream(); / socket.getInputStream();
  ③关闭资源

4. BIO代码

• Server

public class BIOBootstrapServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        server();
    }
    public static void server() throws IOException {
        //建立服务转发ServerSocket
        ServerSocket ss = new ServerSocket();
        ss.bind(new InetSocketAddress(9999)); //server能够省略好hostname

        ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(10);
        while(true) {
            //等待请求到来，转发产生Socket(系统内部资源)
            final Socket socket = ss.accept(); //没有请求就等待，阻塞
            //final 匿名内部类使用局部变量要final修饰
            threadPool.submit(new Runnable() {
                public void run() {
                    try {
                        //利用IO，读取用户请求
                        InputStream req = socket.getInputStream();
                        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(req);
                        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);

                        String line = null;
                        StringBuilder sb = new StringBuilder();
                        while ((line = br.readLine()) != null) {
                            sb.append(line);
                        }
                        System.out.println("服务器收到：" + sb.toString());
                        //给出用户响应
                        OutputStream res = socket.getOutputStream();
                        PrintWriter pw = new PrintWriter(res);
                        pw.println(new Date().toLocaleString());
                        pw.flush();
                        socket.shutdownOutput(); //告知客户端写结束
                        //关闭系统资源
                        socket.close();
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
}

• Client

public class BIOBootstrapClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        send("这是一条来自client 的 message！");
    }
    public static void send(String msg) throws IOException {
        //建立Socket对象
        Socket s = new Socket();
        s.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1",9999)); //因此几乎给ip和端口的，底层走的就是socket

        //发送请求
        OutputStream req = s.getOutputStream();
        PrintWriter pw=new PrintWriter(req);
        pw.println(msg);
        pw.flush();
        s.shutdownOutput();//告知服务端写结束

        //接收响应
        InputStream res = s.getInputStream();
        InputStreamReader isr = new InputStreamReader(res);
        BufferedReader br = new BufferedReader(isr);
        String line=null;
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        while((line=br.readLine())!=null){
            sb.append(line);
        }
        System.out.println("客户端收到："+sb.toString());
        //关闭资源
        s.close();
    }
}

思考下，BIO模型的缺点？
accept转发产生socket资源，一次请求转发等待请求响应的过程有阻塞。main线程做accept请求转发、子线程做socket读写IO处理。

• 机器间通讯是靠传输 套接字 完成的。

套接字，是支持TCP/IP的网络通讯的基本操做单元，能够看作是不一样主机之间的进程进行双向通讯的端点，简单的说就是通讯的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通讯过程。
简单的举例说明下:Socket = Ip address + TCP/UDP + port。

每一个socket表明一个系统的随机端口，用来在服务和客户端之间创建链接。

5. BIO网络编程问题
   经过将相应处理和转发进行分离，可是在转发的时候，服务器是经过先开启线程资源（计算），而后在计算中动用IO操做，IO存在总线占用问题，致使当前线程操做的IO资源没有就绪，致使系统计算资源的浪费。若是要解决该问题，必须先考虑让IO就绪，而后在开启线程处理或者理解为让线程去处理一些非阻塞的IO操做。

BIO编程诟病 :多线程模型解决服务端并发，可是没法判断当前处理的IO状态是否就绪，此时就会致使线程在作无畏等待，致使系统资源利用率不高。 先开线程 -> 在线程等待IO就绪->处理IO->线程资源释放

4、NIO编程模型

• Channel（FileChannel-读写文件、ServerSocketChannel-请求转发、SocketChannel-响应处理）
• ByteBuffer （字节缓冲区）

1. 建立FileChannel

//可读的FileChannel
FileChannel fr=new FileInputStream("xxx路径").getChannel();
//可写的FileChannel
FileChannel fw=new FileOutputStream("xxx路径").getChannel();

文件操做

//读文件件
fr.read(缓冲区)
//写文件
fw.write(缓冲区)

2. 字节缓冲区
   

flip：pos赋值给limit，post归0
clear：恢复变量为初始状态

3. 一个基于NIO的文件拷贝【面试&笔试】
   【NIO没有流的概念，用通道来处理。】

public class FileCopyDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //建立读通道 磁盘读入数据 到 ByteBuffer
        FileInputStream in = new FileInputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\123.txt");
        FileChannel fcr = in.getChannel(); //fileChannelRead

        //建立写通道 将 ByteBuffer 数据写入磁盘
        FileOutputStream out = new FileOutputStream("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\321.txt");
        FileChannel fcw= out.getChannel(); //fileChannelWrite

        //建立ByteBuffer
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(new byte[1024]);//.allocate()也能够

        while (true){
            buffer.clear();
            int n = fcr.read(buffer);
            if(n==-1) break;
            buffer.flip();
            fcw.write(buffer);
        }
        //关闭资源
        fcr.close();
        fcw.close();
    }
}

4. “挂羊头，卖狗肉” —— NIO的API，BIO的编程模型

public class NIOBootstrapServer_Fake {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        server();
    }
    public static void server() throws IOException {
        //建立服务转发ServerSocket
        ServerSocketChannel ss = ServerSocketChannel.open();
        ss.bind(new InetSocketAddress(9999));
        ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(10);
        while(true) {
            //等待请求到来，转发产生Socket(系统内部资源)
            final SocketChannel socket = ss.accept();// 阻塞
            threadPool.submit(new Runnable() {
                public void run() {
                    try{
                        //读取客户端响应
                        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);

                        ByteArrayOutputStream baos=new ByteArrayOutputStream();//相似stringbuilder，用来暂存用

                        while (true){
                            buffer.clear();
                            int n = socket.read(buffer);
                            if(n==-1) break;
                            buffer.flip();
                            baos.write(buffer.array(),0,n);
                        }
                        System.out.println("服务器收到："+new String(baos.toByteArray()));

                        //给出客户端响应

                        ByteBuffer respBuffer = ByteBuffer.wrap((new Date().toLocaleString()).getBytes());
                        socket.write(respBuffer);

                        socket.shutdownOutput();//告知客户端写结束
                        //关闭系统资源
                        socket.close();
                    }catch (Exception e){

                    }
                }
            });
        }
    }
}

5. 通道选择器
   
   

NIO核心思想，将网络编程中全部操做（转发，读请求，写响应）封装成事件Event，以后用事件形式通知程序进行计算，事件发生则通知程序，这样处理的IO都是就绪的IO，保证计算资源的充分利用。这时候，引入通道选择器的概念。 咱们须要把通道注册到通道选择器的注册列表中，由通道选择器维护注册列表；一旦咱们所关注的事件发生了，他会把关注的事件封装到事件处理列表当中；为了防止处理空或无效IO，每一个事件处理结束后，要从列表中移除；移除不表明取消注册。只有两种可能才取消注册，一种是通道关闭，一种是主动注销。