Netty的深度复习

Netty简介

Netty是 一个异步事件驱动的网络应用程序框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。

Netty的特点

Netty的对JDK自带的NIO的API进行封装，主要特点有：

• 设计优雅
  适用于各种传输类型的统一API - 阻塞和非阻塞Socket
  基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点
  高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池
  真正的无连接数据报套接字支持（自3.1起）

• 使用方便
  详细记录的Javadoc，用户指南和示例
  没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或6（Netty 4.x）就足够了

• 高性能
  吞吐量更高，延迟更低
  减少资源消耗
  最小化不必要的内存复制

• 安全
  完整的SSL / TLS和StartTLS支持

• 社区活跃，不断更新
  社区活跃，版本迭代周期短，发现的BUG可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

Netty的高性能设计

Netty的非阻塞I/O的实现关键是基于I/O复用模型，这里用Selector对象表示：

Netty的IO线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。当线程从某客户端Socket通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升IO线程的运行效率，避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起，一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

• 基于buffer
  传统的I/O是面向字节流或字符流的，以流式的方式顺序地从一个Stream 中读取一个或多个字节, 因此也就不能随意改变读取指针的位置。

在NIO中, 抛弃了传统的 I/O流, 而是引入了Channel和Buffer的概念. 在NIO中, 只能从Channel中读取数据到Buffer中或将数据 Buffer 中写入到 Channel。

基于buffer操作不像传统IO的顺序操作, NIO 中可以随意地读取任意位置的数据

Netty线程模型

Netty主要基于主从Reactors多线程模型（如下图）做了一定的修改，其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor：MainReactor和SubReactor：

• MainReactor负责客户端的连接请求，并将请求转交给SubReactor

• SubReactor负责相应通道的IO读写请求

• 非IO请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待worker threads进行处理

这里引用Doug Lee大神的Reactor介绍：Scalable IO in Java里面关于主从Reactor多线程模型的图

特别说明的是：
虽然Netty的线程模型基于主从Reactor多线程，借用了MainReactor和SubReactor的结构，但是实际实现上，SubReactor和Worker线程在同一个线程池中：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();
server.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)

上面代码中的bossGroup 和workerGroup是Bootstrap构造方法中传入的两个对象，这两个group均是线程池

• bossGroup线程池则只是在bind某个端口后，获得其中一个线程作为MainReactor，专门处理端口的accept事件，每个端口对应一个boss线程

• workerGroup线程池会被各个SubReactor和worker线程充分利用

异步处理

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

Netty中的I/O操作是异步的，包括bind、write、connect等操作会简单的返回一个ChannelFuture，调用者并不能立刻获得结果，通过Future-Listener机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得IO操作结果。

当future对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的ChannelFuture来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操，常见有如下操作：

• 通过isDone方法来判断当前操作是否完成

• 通过isSuccess方法来判断已完成的当前操作是否成功

• 通过getCause方法来获取已完成的当前操作失败的原因

• 通过isCancelled方法来判断已完成的当前操作是否被取消

• 通过addListener方法来注册监听器，当操作已完成(isDone方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果future对象已完成，则理解通知指定的监听器

例如下面的的代码中绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
       if (future.isSuccess()) {
           System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
       } else {
           System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
       }
   });

相比传统阻塞I/O，执行I/O操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在I/O操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量。

Netty的模块组件

Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap意思是引导，一个Netty应用通常由一个Bootstrap开始，主要作用是配置整个Netty程序，串联各个组件，Netty中Bootstrap类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap是服务端启动引导类。

Future、ChannelFuture

正如前面介绍，在Netty中所有的IO操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理，但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过Future和ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

Channel

Netty网络通信的组件，能够用于执行网络I/O操作。
Channel为用户提供：

• 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）

• 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）

• 提供异步的网络I/O操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何I / O调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的I / O操作已完成。调用立即返回一个ChannelFuture实例，通过注册监听器到ChannelFuture上，可以I / O操作成功、失败或取消时回调通知调用方。

• 支持关联I/O操作与对应的处理程序

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应，下面是一些常用的 Channel 类型

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接

• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接

• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接

• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接

• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接

这些通道涵盖了 UDP 和 TCP网络 IO以及文件 IO.

Selector

Netty基于Selector对象实现I/O多路复用，通过 Selector, 一个线程可以监听多个连接的Channel事件, 当向一个Selector中注册Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(select) 这些注册的Channel是否有已就绪的I/O事件(例如可读, 可写, 网络连接完成等)，这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

NioEventLoop

NioEventLoop中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用NioEventLoop的run方法，执行I/O任务和非I/O任务：

• I/O任务
  即selectionKey中ready的事件，如accept、connect、read、write等，由processSelectedKeys方法触发。

• 非IO任务
  添加到taskQueue中的任务，如register0、bind0等任务，由runAllTasks方法触发。

两种任务的执行时间比由变量ioRatio控制，默认为50，则表示允许非IO任务执行的时间与IO任务的执行时间相等。

NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理eventLoop的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个Channel上的事件，而一个Channel只对应于一个线程。

ChannelHandler

ChannelHandler是一个接口，处理I / O事件或拦截I / O操作，并将其转发到其ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

• ChannelInboundHandler用于处理入站I / O事件

• ChannelOutboundHandler用于处理出站I / O操作

或者使用以下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter用于处理入站I / O事件

• ChannelOutboundHandlerAdapter用于处理出站I / O操作

• ChannelDuplexHandler用于处理入站和出站事件

ChannelHandlerContext

保存Channel相关的所有上下文信息，同时关联一个ChannelHandler对象

ChannelPipline

保存ChannelHandler的List，用于处理或拦截Channel的入站事件和出站操作。 ChannelPipeline实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及Channel中各个的ChannelHandler如何相互交互。

下图引用Netty的Javadoc4.1中ChannelPipline的说明，描述了ChannelPipeline中ChannelHandler通常如何处理I/O事件。 I/O事件由ChannelInboundHandler或ChannelOutboundHandler处理，并通过调用ChannelHandlerContext中定义的事件传播方法（例如ChannelHandlerContext.fireChannelRead（Object）和ChannelOutboundInvoker.write（Object））转发到其最近的处理程序。

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。 入站Handler处理程序通常处理由图底部的I / O线程生成的入站数据。 通常通过实际输入操作（例如SocketChannel.read（ByteBuffer））从远程读取入站数据。

出站事件由上下方向处理，如图右侧所示。 出站Handler处理程序通常会生成或转换出站传输，例如write请求。 I/O线程通常执行实际的输出操作，例如SocketChannel.write（ByteBuffer）。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应, 它们的组成关系如下:

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline, 而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表, 并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表head往后传递到最后一个入站的handler，出站事件会从链表tail往前传递到最前一个出站的handler，两种类型的handler互不干扰。

Netty工作原理架构

初始化并启动Netty服务端过程如下：

public static void main(String[] args) {
       // 创建mainReactor
       NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
       // 创建工作线程组
       NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

       final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
       serverBootstrap 
                // 组装NioEventLoopGroup 
               .group(boosGroup, workerGroup)
                // 设置channel类型为NIO类型
               .channel(NioServerSocketChannel.class)
               // 设置连接配置参数
               .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
               .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
               .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
               // 配置入站、出站事件handler
               .childHandler(new ChannelInitializer() {
                   @Override
                   protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                       // 配置入站、出站事件channel
                       ch.pipeline().addLast(...);
                       ch.pipeline().addLast(...);
                   }
   });

       // 绑定端口
       int port = 8080;
       serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
           if (future.isSuccess()) {
               System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
           } else {
               System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
           }
       });
}

基本过程如下：

• 1 初始化创建2个NioEventLoopGroup，其中boosGroup用于Accetpt连接建立事件并分发请求，
  workerGroup用于处理I/O读写事件和业务逻辑

• 2 基于ServerBootstrap(服务端启动引导类)，配置EventLoopGroup、Channel类型，连接参数、配置入站、出站事件handler

• 3 绑定端口，开始工作

结合上面的介绍的Netty Reactor模型，介绍服务端Netty的工作架构图：

server端包含1个Boss NioEventLoopGroup和1个Worker NioEventLoopGroup，NioEventLoopGroup相当于1个事件循环组，这个组里包含多个事件循环NioEventLoop，每个NioEventLoop包含1个selector和1个事件循环线程。

每个Boss NioEventLoop循环执行的任务包含3步：

• 1 轮询accept事件

• 2 处理accept I/O事件，与Client建立连接，生成NioSocketChannel，并将NioSocketChannel注册到某个Worker NioEventLoop的Selector上

• 3 处理任务队列中的任务，runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用eventloop.execute或schedule执行的任务，或者其它线程提交到该eventloop的任务。

每个Worker NioEventLoop循环执行的任务包含3步：

• 1 轮询read、write事件；

• 2 处I/O事件，即read、write事件，在NioSocketChannel可读、可写事件发生时进行处理

• 3 处理任务队列中的任务，runAllTasks。

其中任务队列中的task有3种典型使用场景

• 1 用户程序自定义的普通任务

ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       //...
   }
});

• 2 非当前reactor线程调用channel的各种方法
  例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的channel引用，然后调用write类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的write会提交到任务队列中后被异步消费。

• 3 用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {

   }
}, 60, TimeUnit.SECONDS);

Question: 对比 Java 标准 NIO 类库，你知道 Netty 是如何实现更高性能的吗？

单独从性能角度，Netty 在基础的 NIO 等类库之上进行了很多改进，例如

• 更加优雅的 Reactor 模式实现、灵活的线程模型、利用 EventLoop 等创新性的机制，可以非常高效地管理成百上千的 Channel。
• 充分利用了 Java 的 Zero-Copy 机制，并且从多种角度，“斤斤计较”般的降低内存分配和回收的开销。例如，使* 用池化的 Direct Buffer 等技术，在提高 IO 性能的同时，减少了对象的创建和销毁；利用反射等技术直接操纵 SelectionKey，使用数组而不是 Java 容器等。
• 使用更多本地代码。例如，直接利用 JNI 调用 Open SSL 等方式，获得比 Java 内建 SSL 引擎更好的性能。
• 在通信协议、序列化等其他角度的优化。

总的来说，Netty 并没有 Java 核心类库那些强烈的通用性、跨平台等各种负担，针对性能等特定目标以及 Linux 等特定环境，采取了一些极致的优化手段。