微服务底层通信与协议
回顾Java网络通信，包括传统BIO编程、伪异步I/O编程、NIO编程
一、传统BIO编程
通信的本质其实就是I/O，Java的网络编程主要涉及的内容是Socket编程，其他还有多线程编程、协议栈等相关知识。
在JDK 1.4推出Java NIO之前，基于Java的所有Socket通信都采用同步阻塞模式（BIO），类似于一问一答模式。客户端发起一次请求，同步等待调用结果的返回。同步阻塞模式易于调试且容易理解，但是存在严重的性能问题。
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。服务端提供IP和监听端口，客户端通过连接操作向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。
这里简单地描述一下BIO的服务端通信模型。采用BIO通信模型的服务端，通常由一个独立的Acceptor（消费者）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。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通信模型，具体原理如图5-1所示。
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。
二、伪异步I/O编程
我们可以使用线程池来管理这些线程，实现一个或多个线程处理N个客户端的模型，但是底层还是使用同步阻塞I/O，通常被称为“伪异步I/O模型”，具体如图5-2所示。
我们知道，如果使用CachedThreadPool线程池，除了能自动帮我们管理线程（复用）外，看起来就像是1:1的客户端线程数模型，而使用FixedThreadPool可以有效地控制线程的最大数量，保证系统有限资源的控制，实现N:M的伪异步I/O模型。但是，正因为限制了线程数量，如果发生大量并发请求，超过最大数量的线程就只能等待，直到线程池中有空闲的线程可以被复用。
当对Socket的输入流进行读取操作的时候，它会一直阻塞，直到发生如下3种事件：
（1）有数据可读。
（2）可用数据已经读取完毕。
（3）发生空指针或I/O异常。
所以在读取数据较慢时（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。
三、NIO编程
少量的线程如何同时为大量连接服务呢？答案就是就绪选择。这就好比到餐厅吃饭，每来一桌客人，就有一个服务员专门服务，从你进餐厅到最后结账走人。这种方式的好处是服务质量好，一对一的VIP服务，可是缺点也很明显，成本高。如果餐厅生意好，同时来100桌客人，就需要100个服务员，老板发工资的时候得心痛死了。这就是传统的一个连接一个线程的方式。
老板是什么人，精着呢。老板得捉摸怎么能用10个服务员同时为100桌客人服务。老板发现，服务员在为客人服务的过程中并不是一直都忙着。客人点完菜，上完菜，吃着的这段时间，服务员就闲下来了。可是这个服务员还是被这桌客人占用着，不能为别的客人服务。怎么把这段闲着的时间利用起来呢？餐厅老板就想了一个办法，让一个服务员（前台）专门负责收集客人的需求，登记下来。比如有客人进来、点菜、结账，都先记录下来按顺序排好。每个服务员到这里领一个需求。比如点菜，服务员拿着菜单帮客人点菜去了。客人点好菜以后，服务员马上回来，领取下一个需求，继续为别的客人服务。这种服务方式质量不如一对一的服务，当客人需求很多的时候就需要等待。但好处也很明显，由于客人吃饭时服务员不用闲着，因此服务员这段时间内可以为其他客人服务。原来10个服务员最多同时为10桌客人服务，现在可以同时为50桌客人服务。
这种服务方式跟传统服务的区别有两个：
（1）增加了一个角色：专门负责收集客人需求的人。NIO里对应的就是Selector。
（2）由阻塞服务变为非阻塞服务，客人吃着的时候服务员不用一直候在客人旁边。传统的IO操作，比如read()，当没有数据可读的时候，线程一直阻塞被占用，直到有数据到来。NIO中没有数据可读时，read()会立即返回0，线程不会阻塞。
NIO工作原理如图5-3所示。
NIO中客户端创建一个连接后，先要将连接注册到Selector。相当于客人进入餐厅后，告诉前台你要用餐。前台会告诉你，你的桌号是几号。然后你就可以到那张桌子坐下了，SelectionKey就是桌号。当某一桌需要服务时，前台就记录那一桌需要什么服务。比如1号桌要点菜、2号桌要结账，服务员从前台取一条记录，根据记录提供服务，服务完了再来取下一条需求。这样服务的时间就被有效地利用起来了。
三、Java NIO和IO的主要区别如下：
1. 面向流与面向缓冲
Java NIO和IO之间最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，Java IO不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，就需要先将它缓存到一个缓冲区。 Java NIO的缓冲导向方法略有不同。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动。这就增加了处理过程中的灵活性。但是，还需要检查该缓冲区中是否包含所有你需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。
2. 阻塞与非阻塞IO
Java IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read()或write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。Java NIO的非阻塞模式使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞。所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写数据也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用在其他通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（Channel）。
Java NIO是一个可以替代标准Java IO API的新IO，提供了与标准IO不同的工作方式。Java NIO由3个核心部分组成：Channel、Buffer和Selector。
1. Channel（通道）
Channel是对数据的源头和数据目标点流经途径的抽象，在这个意义上和InputStream、OutputStream类似。Channel可以译为“通道”或者“管道”，而传输中的数据仿佛就像是在其中流淌的水。前面也提到了Buffer，Buffer和Channel相互配合使用，才是Java的NIO。
Java NIO的通道与流的区别是：①既可以从通道中读取数据，又可以写数据到通道，但流的读写通常是单向的；②通道可以异步地读写；③通道中的数据总是先读到一个Buffer，或者总是从一个Buffer中写入。
我们对数据的读取和写入要通过Channel。它就像水管一样，通道不同于流的地方就是通道是双向的，可以用于读、写和同时读写操作。数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer写到Channel中，具体如图5-4所示。
从广义上来说，通道可以被分为两类：File I/O和Stream I/O，也就是文件通道和套接字通道。若分得更细致一点，则是：
FileChannel：从文件读写数据。
SocketChannel：通过TCP读写网络数据。
ServerSocketChannel：可以监听新进来的TCP连接，并对每个连接创建对应的SocketChannel。
DatagramChannel：通过UDP读写网络中的数据Pipe。
2. Buffer（缓冲区）
缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便地访问这块内存。使用Buffer读写数据一般遵循以下4个步骤：
（1）写入数据到Buffer。
（2）调用flip()方法。
（3）从Buffer中读取数据。
（4）调用clear()方法或者compact()方法。
当向Buffer写入数据时，Buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入Buffer的所有数据。一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()方法和调用compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区；compact()方法只会清除已经读过的数据，任何未读的数据都会被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。
3. Selector（选择器）
Java NIO引入了选择器的概念，选择器用于监听多个通道的事件（比如连接打开、数据到达）。Selector提供选择已经就绪的任务的能力。Selector会不断轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面发生读或者写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。一个Selector可以同时轮询多个Channel，因为JDK使用了epoll()代替传统的select实现，没有最大连接句柄1024/2048的限制，所以只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端。
要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞直到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子：新连接进来、数据接收等。
与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。这意味着不能将FileChannel与Selector一起使用，因为FileChannel不能切换到非阻塞模式，而套接字通道可以。注意register()方法的第二个参数，这是一个“interest集合”，意思是通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听4种不同类型的事件：Connect、Accept、Read和Write。
通道触发了一个事件，意思是该事件已经就绪。所以，某个Channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个Server Socket Channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。这4种事件用SelectionKey的4个常量来表示：SelectionKey.OP_CONNECT、SelectionKey.OP_ACCEPT、SelectionKey.OP_READ和SelectionKey.OP_WRITE。
一旦向Selector注册了一个或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。