一、概述
随着互联网的兴起，网络编程不再专家性的研究领域，已经成为了很多开发人员都必须掌握的内容。在开发过程中，网络的程序已然很多。除了经典的应用程序（如电子邮件、浏览器等），不少应用程序都在某种程度上与网络功能有些联系。
Java一开始就为网络应用而进行了设计，目前Java已成为非常适合构建网络应用程序的语言了。因为个人学习和工作的学习，需要学习网络编程的开发，在学习了基础知识后，使用netty并用到工作中。下面是一些网络编程中涉及到的基本概念。
二、网络基础
2.1 网络
网络（Network）是几乎可以实时相互发送和接收数据的计算机和其他设备的集合。网络中的每台机器称为一个节点（node），大多数是计算机，但也有如打印机等这样的设备。可以使用Java与打印机进行交互，但多数情况下都是其与计算机对话。具有完备功能的计算机节点也称为主机（host）。每个网络节点都有地址（address），这是用于唯一标识节点的一个字节序列。
现在计算机网络都是包交换（分组交换）网络：流经网络的数据分割成小块，称为包（packet，也称分组），每个包都单独加以处理。每个包都包含了由谁发送和发往何处的信息。将数据分成单独的带有地址的包，其最重要的优点是多个即将交换的包可以在一第线缆上传输，这样建立网络的成本更低，多个计算机呆以互不干扰的共用一条线缆。其另一个好处是可以进行校验，用来检测包在传输中是否遭到破坏。
但计算机来回传递数据时，还需要提供协议。协议（protocol）是定义计算机如何通信的明确的规则，它包含了地址格式、数据如何分包等。在网络通信的不同方面，也有很多不同的协议。如超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol， HTTP
）定义了Web浏览器如何与服务器通信等。
2.2 网络分层
通过网络发送数据是一项复杂的操作，须协调网络的物理特性及所发数据的逻辑特征。发送数据的软件须了解如何避免包的冲突，将数字数据转换为模拟信息，检测和修正错误等。
为了对应用程序开发人员和最终用户隐藏这种复杂性，网络通信的不同方面被分解为多层。每一层表示物理硬件（即线缆和电流）与所传输信息之间的不同抽象层次。在理论上，每一层只与紧挨其上和其下的层对话。这样可修改甚至替换某一层的软件，只要层与层之间的接口保持不变，就不会影响到其他层。下图是ISO的七层网络模型：
下图是标准的TCP/IP四层模型：
上述各层将数据逐级上移传输到远程系统的应用层。
2.3 TCP/UDP/URL
2.3.1 TCP
Transmission Control Protocol，传输控制协议，是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。它保障了两个应用程序之间的可靠通信，通常用于互联网协议。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。在因特网协议族（Internet protocol suite）中，TCP层位于IP层之上，应用层之下的中间层。应用层向TCP层发送用于网间传输的、用8位字节表示的数据流，然后TCP把数据流分区成适当长度的报文段，之后TCP把结果包传给IP层，由它来通过网络将包传送给接收端实体的TCP。
2.3.2 UDP
User Datagram Protocol，是用户数据协议的缩写，一个无连接的协议。提供面向事务的简单不可靠信息传送服务，换言之，提供了应用程序之间要发送的数据的数据包。在网络中与TCP协议一样用于处理数据包，在OSI模型中，位于第四层——传输层，处于IP协议的上一层。UDP有不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，即当报文发送之后，是无法得知其是否案例完整到达的。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。一个典型的数据包就是一个二进制数据的传输单位。
2.3.3 URL
Uniform Resource Locator，统一资源定位符，有时也被俗称为网页地址。表示互联网上的资源，比如网页或FTP地址。URL解析如下：
- 协议（protocol）：http；
- 主机是（host：port）：www.baidu.com；
- 端口号（port）：80，上面的URL没有指定端口，因为HTTP协议默认的端口为80；
- 文件路径（path）：/index.html；
- 请求参数（query）：language=cn；
- 定位位置（fragment）：name，定位到网页中id属性为name的HTML元素位置。
三、（非）阻塞（Block）与同/异步
3.1 阻塞（Blocking）
调用结果返回之前，其它线程被挂起。对于CPU是一直等待CPU处理完成，然后才会执行后面的操作（CPU跑去干别的事了，没空搭理我）。比如浏览器调用应用程序的某个接口，阻塞就是浏览器发起请求A后，会阻塞后面的请求，直接应用程序处理完并返回结果给请求A。
3.2 非阻塞（Non-Blocking）
在不能立即返回结果之前，不会阻塞当前线程，而是立即返回，这样不会影响其它线程的使用（可以通过主动轮询得知调用情况）。CPU处理一个任务时，不管当时来不来得及会不会处理完，都会返回，然后处理后面的任务。和异步看起来非常像。不过个人想从字面上去分析一点，阻塞强调了运行的顺畅，侧重于负重（像不堵车），异步强调了运行的流转，之间相互不影响。
比如浏览器调用应用程序的某个接口，阻塞就是浏览器发起请求A后，应用程序会立即返回，所以不会阻塞后面的请求。即应用程序还没开始开始处理或已经在处理的时候，就会先返回。然后再悄悄的处理完，再次返回真正结果给请求A。
3.3 同步（Synchronization）
同步的方法调用时，调用者必须等待方法返回，然后才能继续执行后面的操作。而异步方法调用后就会立即返回，调用都不用等待就可以继续执行后面的操作。
3.4 异步（Asynchronous）
异步方法调用之所以立即有返回而不用等待，是“隐藏了”真正的执行——通常会在另外的线程中去执行，并将结果通知给调用者，这样就不会影响调用者执行后面的操作。通知的方式一般有三种：状态、通知、回调。
- 状态：监听被调用者的状态（比如通过轮询、长连接等），调用者需要每隔一段时间进行检查，效率低；
- 通知：当被调用者执行完以后，发通知告诉调用者，不是很消耗性能；
- 回调：与通知比较类似，当被调用者执行完以后，会调用调用者提供的函数继续执行。
两者区别：发出同步请求后，需要等待，发出异步请求后，无需等待。
3.5 总结
与同步不同，同步虽然也是要等到调用有结果返回，是因为它们有依赖关系，后面的执行需要根据返回结果再做决定，所以在没有返回结果之前，其实仍然是处于激活的，我还可以处理没有依赖关系的事情。而阻塞就像堵车了，同步是我就等你给我了一个结果。
同步和异步通常用来描述应用程序的调用方式，比如浏览器调用服务器的方法。而在服务器内部，会区分同步与异步。实际上同异步是针对应用程序与内核的交互来说的。另外，同步讲的是服务端的执行方式。
阻塞与非阻塞，是进程在访问数据时，数据是否准备就绪的一处理方式。当数据没有准备时会阻塞，往往需要等待缓冲区中的数据准备好后才处理其它事情，否则就一直处于等待中。而对于非阻塞，若数据没有准备好也会直接返回，不会一直去等待。当数据准备好后，直接返回。阻塞强调的是具体的技术，接收数据的方式及状态（处于阻塞还是非阻塞）。
四、各种IO及区别
在网络世界时，一切皆是文件。而文件是二进制的，不管对套接字（Socket）、管道（Channel）等来说，一切都是（信息）流。IO操作，通常是读（read）和写（write）。
对于一个网络IO来说，以读来说明。它会涉及两个系统对象：一是调用这个IO的进程（process）或线程（thread）；二是系统内核（kernel）。当一个读操作发生时，它会经历如下三个阶段，不同IO模型的区别就体现在这几个阶段上，每个不同的IO模型这三个阶段有不同的表现。再具体一点说，阻塞与否、同步或异步主要表现在这几个地方体现。
- 连接请求及数据传输：比如浏览器调用服务器中的某个接口，发起请求，同时传递输入数据；再比如外卖，用户下单时，数据就是订单的信息；
- 等待数据准备：比如根据输入数据进行处理，但对外部表现是数据准备，就好比点外卖，用户下单了，你对外是准备用户所点的某个食品，但对餐饮来说是有一系列的处理；
- 将数据从内核拷贝到进程中：还是以外卖来说，是餐馆将用户所点的食品返回给用户，当然目前是骑手送，但餐馆仍需将食品返回给骑手，由骑手代为送达。
4.1 BIO
先在服务端启动ServerSocket，然后在客户端启动Socket，客户端与服务端进行连接通讯。默认情况下，服务端会对每个客户端的请求建立线程等待请求，客户端发送连接请求。整体过程如下图：
通常是Acceptor线程负责客户端的连接。它在接收到客户连接请求后，为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完后，通过输出流应答给客户端，最后线程销毁。如下图所示：
因为数据还没到而导致的阻塞（可能性很小，时间一般也比较短）。对于多个连接请求，也不可能一次全部都接收了。在内核接收数据后需要进行处理，但在处理好并返回给某个进程A前，某个进程A会被阻塞，因为它需要处理后的数据，但此时内核可能还没有返回它要的数据。当内核将数据准备好以后，它会将数据从内核拷贝到A的内存，然后内核再返回结果。这时某个进程A才解除阻塞状态，就可以顺畅的跑起来了。所以从这个过程来看，个人理解BIO有两个阻塞的地方，一是连接请求后，数据由进程到内核的过程（这个可能性很小，时间一般也比较短）；二是内核处理数据过程中，进程A等待数据的过程。
BIO因为性能不高，且并发性差，所以在并发访问量增大后，线程数会较多，系统性能急剧下降。
4.2 NIO
BIO（Non-block I/O）非阻塞IO，也是新的IO（New I/O）。就一个调用来说，当进程A向系统B发送数据，要进行读操作时，若系统B内核的数据还没有准备好，它并不会阻塞进程A，而是先返回一个信息（错误提示）。当系统B内核的数据准备好后，再次接收到进程A的请求时，就会将数据拷贝，返回给进程A。另外，非阻塞IO中涉及Buffer、Selector等几个概念，会在下方说明。
以外卖来说，用户小明点了份辣椒炒肉（发送请求，并传入数据），当餐馆接单后（请求成功），此时菜没有做好，但立马就会告诉小明过半个小时做好（没有准备好返回的数据，但在请求后马上收到消息）。然后餐馆马上做菜，快速做完后，就马上把菜送给骑手（真实的数据返回）。这样小明就不会一直阻塞着，也就不会影响后面的用户下单了。若是BIO，那小明下单就会一直等待做的菜，后面的用户就下不了单了。
Java的NIO和IO的区别如下表所示。BIO在客户端连接服务器端时，借助于多线程，连接成功后传递数据进行处理。而NIO有缓冲区（Buffer）和选择器（Selector），缓冲区包含了写入或读取的数据，不是直接的Stream。
IO模型 | IO | NIO |
方式 | 从硬盘到内存 | 从内存到硬盘 |
通信 | 面向流 | 面向缓冲（多路复用技术） |
处理 | 阻塞IO | 非阻塞IO（反应堆Reactor） |
触发 | 无 | 选择器Selector（轮询机制） |
4.3 伪异步IO
伪异步IO，不是真正的异步IO，是对同步阻塞IO进行了优化，看起来像是异步IO。
4.4 AIO
Asynchronous IO，即异步IO。假如进程A要执行读取数据的操作，发起请求并请求成功后，进程A就可以做别的事了。系统内核接收到一个异步的读请求后，它会先立即返回，然后再去进行处理，所以不会阻塞。当系统内核处理完后，将返回的数据拷贝到进程A内存。最后内核再给进程A发现一个信号，说我处理完了，你可以直接拿读取的数据了。
还是以外卖来说，小明在餐馆下单（异步请求），说半个小时后点的外卖会送到（餐馆接受请求后会先返回，只不过个间隔时间会比较长）。餐馆接单（请求连接成功），下单成功后小明就可以做自己的事了，比如开个玩笑，继续写小明的故事续集。餐馆开始准备做菜（调用的程序隐藏处理的过程），当菜做好了（处理结果准备好了），骑手会来拿菜送给小明（这里骑手充当了小明的代理，这里返回的数据原本是直接给小明的，但这里是先给了骑手，再由骑手送给小明）。
4.5 各种IO的区别
上面对四种IO模型做了简单描述，下面的两张图从不同方面展示了各种不同IO的区别：
五、NIO体系
5.1 Buffer
在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原IO的一个重要区别。在面向流的IO中，可以将数据直接写入或读取到Stream对象中。在NIO库中，所有的数据都是用缓存区处理的（读写）。缓存区实质上是一个数组，通常是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他类型的数组。这个数组为缓冲区提供了数据的访问读写等操作属性，如位置、容量、上限等概念。
Buffer有多种类型，最常用的是ByteBuffer，实际上每一种Java基本类型都对应了一种缓存区类型（Boloean除外），如ByteBuffer、CharBuffer、ShortBuffer、IntBuffer、LongBuffer、FloatBuffer、DoubleBuffer等。
5.2 Channel
管道，通道。数据通过Channel读取和写入。需要注意，通道和流不一样，通道是双向的，所以通道可以用于读、写或二者同时进行，最关键的是可以与多路复用器结合起来，有多种的状态位，方便多路复用器去识别。而流只是一个方向上移动（一个流必须是InputStream或OutPutStream的子类）。
通道可分为两大类，一类是网络读写（SelectableChannel），一类是用于文件操作（FileChannel）。通常使用的SocketChannel和ServerSocketChannel都是SelectableChannel的子类。
5.3 Selector
选择已经就绪的任务的能力。它会不断的轮询注册于其上的通道（Channel），若某通道发生了读写操作，那这个通道就处于就绪状态，就会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以取得就绪的Channel集合，从而执行后续的IO操作。一个多路复用器可以负责成千上万的Channel通道，没有上限。这也是JDK使用epoll代替了传统的select实现，获得连接句柄没有限制，这就意味着只要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万个客户端，这就JDK NIO的巨大进步。
Select线程类似一个管理者（Master），它管理成千上万个管道。通过轮询管道的数据，对数据已经准备好的管道，Selecter通知CPU执行IO的读写操作。
Selector模式：当IO事件（管道）注册到选择器以后，selector会分配给每个管道一个key值，相当于标签。selector是以轮询的方式进行查找注册的所有IO事件的，当IO事件准备就绪好，selector便会识别，然后通过key值找到相应的管道，进行数据处理（从管道读或写数据，写到我们数据缓冲区中）。
每个管道都会对选择器注册不同的事件状态，以便选择器查找：
- SelectionKey.OP_CONNECT：连接状态
- SelectionKey.OP_ACCEPT：阻塞状态
- SelectionKey.OP_READ：可读状态
- SelectionKey.OP_WRITE：可写状态
5.4 Reactor
Reactor模式是事件驱动的，具体一点说，有一个或多个并发输入源，还有一个Service Handler，还有多个Request Handlers，Service Handler会同步的将输入的请求（Event）多路复用的分发给相应的Request Handler。
在Java的NIO中，对Reactor模式有无缝的支持，使用Selector类封装了操作系统提供的Synchronous Event Demultiplexer功能。Reactor的核心是Selector。
六、ServerSocket与Socket
Java对非阻塞I/O的支持是在2002年引入的，在JDK的java.net包下。
6.1 Socket
套接字，是网络连接的一个端点，它使一个应用可以从网络中读取和写入数据。在不同计算机上的两个应用可通过连接发送和接收字节流。其中需要知道连接的IP和端口，以可以进行准确的连接。总结来说，是应用程序可通过套接节向网络发出请求或应答网络请求。
6.2 ServerSocket
服务器套字节, ServerSocket代表了服务器端，而Socket代表了一个客户端套接字。accept()方法是侦听并接收套接字的连接。
ServerSocket和Socket位于java.net包中。ServerSocket用于服务顺端，Socket是建立网络连接时使用的。在连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例。然后操作中此实例，完成所需要的会话。对网络连接而言，套接字是平等的，即在服务器端和客户端的级别是一样的。不管是Socket还是ServerSocket，它们工作都是通过SocketImpl类及其子类完成的。
套接字之间的连接过程分为以下四步：
- 服务器监听：服务器处于等待连接状态，实时监控网络状态；
- 客户端请求服务器：客户端的套接字发出连接请求；
- 服务器确认；服务器端套接字监听到或接收到客户端套接字的连接请求，响应请求，将服务器端套接字的描述发送给客户端；
- 客户端确认：客户端确认了描述，连接就建立了，与服务器端进行通信。服务器端套接字处于监听状态，继续继续接收客户端套接字的连接请求。
经过以上四步，然后进行通信。通信完成后，关闭套接字。整个过程是由客户端和服务器端组成的，对于服务器端，具体有以下几步：
- 创建套接字；
- 套接字绑定在一个地址和端口上；
- 套接字设为监听模式，准备接收客户端请求；
- 等待客户端请求，当有客户端的请求来时，接受客户端的连接请求，返回新的对应此连接的套接字，启动线程为当前的连接服务；
- 处理完请求后返回，等待另一个客户端的请求；
- 关闭套接字。
对于客户端来说，具体有以下几步：
- 创建套接字；
- 向服务器发出连接请求；
- 和服务器进行通信；
- 关闭套接字。
