Nety学习笔记三—Netty线程模型

Reactor单线程模型

 

Reactor单线程模型，是指所有的I/O操作都在同一个NIO线程上面完成。职责如下：

• 作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；

• 作为NIO客户端，像服务端发起TCP连接；

• 读取通信对端的请求或者应答消息；

• 向通信对端发送消息请求或者应答消息；

由于Reactor模式使用的是异步非阻塞I/O，所有丶I/O操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有丶I/O相关的操作。从架构层面上看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息，当链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到执行的Handler上，进行消息解码。用户线程消息编码后通过NIO线程将消息发送给客户端。

问题：

• 一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即使NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送。

• 当NIO线程负责过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后会重发，更加重的NIO线程的负载，最终导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈。

• 可靠性问题，NIO线程意外跑飞，或者进入死循环，会导致整个系统模块不可用，不能接受和处理外部消息，造成节点故障。

 

Reactor多线程模型

Reactor多线程模型：

• 有专门一个NIO线程——Acceptor线程用于监听服务端，接受客户端的TCP连接请求。

• 网络I/O操作——读、写等有一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程。由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送。

• 一个NIO线程可以同时处理N条链路，但是一个链路只对应一个NIO线程，防止发生并发操作问题。

问题：在大多数场景下，Reactor多线程模型可以满足性能需求。一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。

例如并发高的客户端连接后者服务端需要对握手做安全认证，但认证非常消耗性能，这类场景，一个单独的Acceptor可能存在性能不足的问题。

 

主从Reactor多线程模型

主从Reactor线程模型，服务端用户接受客户端连接的不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。

Acceptor接受到客户端TCP连接请求并处理完成后(可能包含接入认证等)，将创建新的SocketChannel注册到I/O线程池（sub reactor线程池）的某个I/O线程上，由它负责SocketChannel的读写和编码工作。Acceptor线程池仅仅用于客户端的登录、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端的subReactor线程池的I/O线程上，有I/O线程负责后续的I/O操作。

 

Netty线程模型

 

Netty支持Reactor单线程、多线程模型和主从Reactor多线程模型。

服务端启动的时候，创建了两个NioEventLoopGroup，它们实际上是两个独立的Reactor，一个用户接受客户的TCP连接，两一个用户处理I/O相关的读写操作。

用于接受客户端请求的线程池职责如下：

• 接受客户端TCP连接，初始化Channel参数。

• 将链路状态变更时间通知给ChannelPipeline。

处理I/O操作的Reactor线程池职责如下：

• 异步读取通信对端的数据报，发送读事件到ChannelPipeline

• 异步发送消息到通信对端，调用ChannelPipeline的消息发送接口

• 执行系统调用Task

• 执行定时任务Task，例如链路空闲状态监测定时任务。

通过调整线程池的线程个数、是否共享线程池等方式，Netty的Reactor线程模型可以在单线程、多线程、和主从多线程间切换。

 

局部无锁化

为了尽可能的提升性能，Netty在很多地方进行了无锁化的设计。例如I/O线程内进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降问题。表面上看CPU利用率不高，但是可以能通调整NIO线程池的参数，启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列一个工作线程的模型更优。

Netty的NioEvenLoop读取到消息之后，直接调用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg)。只要用户不主动切换线程，一直会由NioEvenLoop调用到用户的Handler，期间不进行线程切换。这种串行化处理方式，避免了多线程操作导致的锁的竞争，从性能角度看是最优的。

NioEvenLoop并不是一个纯粹的I/O线程，处理负责I/O读写之外，还处理两类任务

系统Task：通过调用NioEventLoop的execute(Runnable task) 方法实现，Netty有很多系统的Task，创建他们的主要原因是：当I/O线程和用户线程同时操作网络资源时，为了防止并发操作导致的锁竞争，将用户线程的操作封装成Task放入消息队列中，有I/O线程负责执行，这样就实现了局部无锁化。

定时任务：通过调用nioEvenLoop的schedule方法实现。

 

 

Netty最佳实践

多线程下的最佳实践：

一、创建两个NioEventLoopGroup，用于逻辑隔离NIO Acceptor和NIO I/O线程。

二、尽量不要再ChannelHandler中启动用户线程（解码后用于将POJO消息派发到后端业务线程的除外）

三、解码要放在NIO线程调用的解码Handler中进行，不要切换到用户线程中完成消息的解码。

四、如果业务逻辑简单，没有复杂的业务逻辑计算，没有可能会导致线程磁盘操作、数据库操作、网络操作等，可以直接在NIO线程上完成业务逻辑编排，不要切换到用户线程。

五、如果业务逻辑复杂，不要再NIO线程上完成，建议将解码后的POJO消息封装成Task，派发到业务线程中由业务线程执行，以保证NIO尽快被释放，处理其他的I/O操作。

线程数量=（线程总时间/瓶颈资源时间）*瓶颈资源的线程并行数

QPS=1000/线程总时间*线程数

 

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