BIO、NIO、直接内存与零拷贝
Netty 系列 · 第 2/8 篇
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开头：从「一个连接一个线程」到 Reactor
微服务拆分后，单机要扛成千上万长连接。传统 BIO「来一个连接开一个线程」在并发上来后线程数爆炸、CPU 上下文切换拖垮性能；NIO + Reactor 用少量线程 multiplex 多个 Channel，才是 Netty 选型的根源。
本篇覆盖 Socket 常识、BIO/NIO 对比、Reactor 模式、Buffer/直接内存，以及一次 Web 请求的完整网络旅程（补充阅读），并引出零拷贝。
一、Socket 与长短连接
- Socket：操作系统提供的网络编程门面，隐藏 TCP/IP 细节。
- ServerSocket：绑定 IP/端口、监听；具体读写由 accept 后产生的 Socket 完成。
- 短连接：HTTP/1.0 常见，一次请求结束即断连。
- 长连接：连接保持复用，数据库、HTTP/1.1+、HTTP/2/3 倾向长连接；选型看频率与资源。
二、BIO：阻塞 I/O 与线程池
BIO 中 ServerSocket.accept() 和 socket.read() 都会阻塞当前线程。
典型模型：独立 Acceptor 线程 + 每连接一线程（或线程池伪异步）。连接数与线程数近似 1:1，线程是宝贵资源，连接上千后性能急剧下降。
用 FixedThreadPool 可限制线程上限（N:M），但读慢时其他连接仍要排队等待——伪异步。
RPC 背景：业务拆分到多机后，本地方法调用变成远程调用。RPC 封装序列化、网络传输、代理，对现有代码侵入小；Dubbo 基于 TCP，gRPC 基于 HTTP/2——RPC 与 HTTP 是不同层次的概念。
RPC 解决的是「像调本地方法一样调远程服务」：客户端 Stub 序列化参数 → 网络传输 → 服务端 Skeleton 反序列化并执行 → 结果原路返回。相比 REST，RPC 通常二进制协议、长连接、性能更高，适合内部服务间高频调用。
三、NIO 三大件与 Reactor
NIO（New/Non-blocking IO）核心差异：
| 维度 | BIO | NIO |
|---|---|---|
| 数据访问 | 面向流 | 面向 Buffer |
| 阻塞 | 读写阻塞线程 | 非阻塞，就绪再处理 |
| 线程模型 | 一连接一线程 | Selector 多路复用 |
三大组件：Selector（选择器）、Channel（通道）、Buffer（缓冲区）。
Channel 必须非阻塞才能注册 Selector；interest 用位掩码：OP_READ | OP_WRITE。
selector.select() 阻塞直到至少一个 Channel 就绪；返回后遍历 selectedKeys，对每个 key 检查 isAcceptable()/isReadable()/isWritable() 并处理。SelectionKey 绑定 Channel 与 interest 集合，处理完毕需 keyIterator.remove() 避免重复处理。
服务端 Channel 注册 OP_ACCEPT，已 accept 的 SocketChannel 注册 OP_READ（写就绪通常由读触发）；客户端连接后注册 OP_CONNECT 或 OP_READ。
Reactor 演进
- 单线程 Reactor：accept/read/write 全在一个线程——简单，业务重时会拖慢 I/O。
- 单 Reactor + 线程池：I/O 在 Reactor，业务丢线程池。
- 主从 Reactor：main 只 accept，sub 池处理 read/write——高并发标配，Netty
boss/worker即此模型。
单线程 Reactor 中，accept、read、decode、业务、encode、write 全在一个线程——实现简单，但任一连接业务阻塞会拖慢所有连接 I/O。
四、Buffer 与直接内存
Buffer 关键属性：capacity、position、limit；写→flip()→读→clear()/compact()。
- HeapByteBuffer：堆内，分配快，发网络时往往还要拷到直接内存。
- DirectByteBuffer：堆外，分配贵，IO 少一次拷贝，高吞吐网络更合适。
Buffer 典型流程：写数据时 put() 移动 position；写完后 flip() 切换为读模式（limit=position, position=0）；读完后 clear() 或 compact() 准备下一轮。Heap 适合小对象与短生命周期；Direct 适合网络 IO 主路径，Netty ByteBuf 默认优先 Direct。
直接内存不受 Young GC 管理，需关注 -XX:MaxDirectMemorySize，避免堆外泄漏。
五、零拷贝
传统 read+send 四次拷贝：磁盘→内核→用户→socket 缓冲→网卡。Linux 提供 mmap、sendfile、splice 等减少 CPU 拷贝；Kafka、Netty、RocketMQ、Nginx 均受益。
Netty 零拷贝包括：Direct ByteBuf、CompositeByteBuf 组合缓冲、FileRegion 等。
六、补充：一次 Web 请求的完整历程
下面用「新电脑打开 www.baidu.com」串起 DHCP → DNS → ARP → NAT → TCP 三次握手 → HTTP，把本篇 TCP/IP 与 Socket 知识落到真实拓扑。
DHCP 广播获取 IP、网关、DNS；ARP 解析网关 MAC；NAT 把私网地址换成公网地址；DNS 递归查询拿到目标 IP；最后 TCP 建连 + HTTP GET，响应沿原路返回。
小结
- BIO 简单但扩展差；NIO + Reactor 用少量线程服务大量连接，是 Netty 的基础。
- Buffer/直接内存/零拷贝 决定网络 IO 的上限，后面 ByteBuf 池会在此基础上再优化。
- 理解 Web 全链路 有助于排查「能 ping 通但访问不了」类问题。
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