架构师-Netty(二)
Netty
Netty 支持的功能与特性
Netty 是一个异步、事件驱动的用来做高性能、高可靠性的网络应用框架。主要的优点有：
- 框架设计优雅，底层模型随意切换适应不同的网络协议要求。
- 提供很多标准的协议、安全、编码解码的支持。
- 解决了很多 NIO 不易用的问题。
- 社区更为活跃，在很多开源框架中使用，如 Dubbo、RocketMQ、Spark 等。
上图体现的主要是 Netty 支持的功能或者特性：
- 1.底层核心有：Zero-Copy-Capable Buffer，非常易用的灵拷贝 Buffer（这个内容很有意思，稍后专门来说）；统一的 API；标准可扩展的时间模型
- 2.传输方面的支持有：管道通信（具体不知道干啥的，还请老司机指教）；Http 隧道；TCP 与 UDP
- 3.协议方面的支持有：基于原始文本和二进制的协议；解压缩；大文件传输；流媒体传输；protobuf 编解码；安全认 证；http 和 websocket
Netty 采用 NIO 而非 AIO 的理由
1.Netty 不看重 Windows 上的使用，在 Linux 系统上，AIO 的底层实现仍使用 EPOLL，没有很好实现 AIO，因此在性 能上没有明显的优势，而且被 JDK 封装了一层不容易深度优化
2.Netty 整体架构是 reactor 模型, 而 AIO 是 proactor 模型, 混合在一起会非常混乱,把 AIO 也改造成 reactor 模型看起 来是把 epoll 绕个弯又绕回来
3.AIO还有个缺点是接收数据需要预先分配缓存, 而不是NIO那种需要接收时才需要分配缓存, 所以对连接数量非常大 但流量小的情况, 内存浪费很多
4.Linux 上 AIO 不够成熟，处理回调结果速度跟不到处理需求，造成处理速度有瓶颈（待验证）
通过使用 Netty（NIO 框架）相比于传统基于 Java 序列化+BIO（同步阻塞 IO）的通信框架，性能提升了 8 倍多。
传统 RPC 调用性能差的三宗罪
网络传输方式问题：传统的 RPC 框架或者基于 RMI 等方式的远程服务（过程）调用采用了同步阻塞 IO，当客户端的 并发压力或者网络时延增大之后，同步阻塞 IO 会由于频繁的 wait 导致 IO 线程经常性的阻塞，由于线程无法高效的工 作，IO 处理能力自然下降。下面，我们通过 BIO 通信模型图看下 BIO 通信的弊端：
BIO通信模型
采用 BIO 通信模型的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接，接收到客户端连接之后为客户 端连接创建一个新的线程处理请求消息，处理完成之后，返回应答消息给客户端，线程销毁，这就是典型的一请求一 应答模型。该架构最大的问题就是不具备弹性伸缩能力，当并发访问量增加后，服务端的线程个数和并发访问数成线 性正比，由于线程是 JAVA 虚拟机非常宝贵的系统资源，当线程数膨胀之后，系统的性能急剧下降，随着并发量的继续增加，可能会发生句柄溢出、线程堆栈溢出等问题，并导致服务器最终宕机。
序列化方式问题：Java 序列化存在如下几个典型问题：
- Java 序列化机制是 Java 内部的一种对象编解码技术，无法跨语言使用；例如对于异构系统之间的对接，Java 序列化 后的码流需要能够通过其它语言反序列化成原始对象（副本），目前很难支持；
- 相比于其它开源的序列化框架，Java 序列化后的码流太大，无论是网络传输还是持久化到磁盘，都会导致额外的资 源占用；
- 序列化性能差（CPU 资源占用高）。 线程模型问题：由于采用同步阻塞 IO，这会导致每个 TCP 连接都占用 1 个线程，由于线程资源是 JVM 虚拟机非常宝 贵的资源，当 IO 读写阻塞导致线程无法及时释放时，会导致系统性能急剧下降，严重的甚至会导致虚拟机无法创建新 的线程。
高性能的三个主题
- 1、传输：用什么样的通道将数据发送给对方，BIO、NIO 或者 AIO，IO 模型在很大程度上决定了框架的性能。
- 2、协议：采用什么样的通信协议，HTTP 或者内部私有协议。协议的选择不同，性能模型也不同。相比于公有协议， 内部私有协议的性能通常可以被设计的更优。
- 3、 线程：数据报如何读取？读取之后的编解码在哪个线程进行，编解码后的消息如何派发，Reactor 线程模型的不同， 对性能的影响也非常大。
Netty 高性能之道
异步非阻塞通信
在 IO 编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者 IO 多路复用技术进行处理。IO 多路 复用技术通过把多个 IO 的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O 多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者 线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。
JDK1.4 提供了对非阻塞 IO（NIO）的支持，JDK1.5_update10 版本使用 epoll 替代了传统的 select/poll，极大的提升了 NIO 通信的性能。JDK NIO 通信模型如下所示：
与 Socket 类和 ServerSocket 类相对应，NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通 道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用非常简单，但是性能和可靠性都不好，非阻 塞模式正好相反。开发人员一般可以根据自己的需要来选择合适的模式，一般来说，低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞 IO 以降低编程复杂度。但是对于高负载、高并发的网络应用，需要使用 NIO 的非阻塞模式进行开发。 Netty 架构按照 Reactor 模式设计和实现，
它的服务端通信序列图如下：
客户端通信序列图如下：
Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 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 Channel，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 IO 阻塞导致的线程挂起。另外，由于 Netty 采用了异步通信模式，一个 IO 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 IO 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。
零拷贝
Netty 的“零拷贝”主要体现在如下三个方面：
- Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲 区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行 Socket 读写，JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接 内存中，然后才写入 Socket 中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。
源码:io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read - Netty 提供了组合 Buffer 对象，可以聚合多个 ByteBuffer 对象，用户可以像操作一个 Buffer 那样方便的对组合 Buffer 进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小 Buffer 合并成一个大的 Buffer。
源码io.netty.buffer.CompositeByteBuf#addComponent0 - Netty 的文件传输采用了 transferTo()方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel，避免了传统通过 循环 write()方式导致的内存拷贝问题。
源码io.netty.buffer.CompositeByteBuf#addComponent0
内存池
随着 JVM 虚拟机和 JIT 即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区 Buffer，情 况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty 提供了基于 内存池的缓冲区重用机制。下面我们一起看下 Netty ByteBuf 的实现：
Netty 提供了多种内存管理策略，通过在启动辅助类中配置相关参数，可以实现差异化的定制。
用例一，使用内存池分配器创建直接内存缓冲区：
final byte[] CONTENT = new byte[1024];
int loop = 1800000;
long startTime = System.currentTimeMillis();
ByteBuf poolBuffer = null;
for (int i = 0; i < loop; i++) {
poolBuffer = PooledByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(1024);
poolBuffer.writeBytes(CONTENT);
poolBuffer.release();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("内存池分配缓冲区耗时" + (endTime - startTime) + "ms.");
用例二，使用非堆内存分配器创建的直接内存缓冲区
long startTime2 = System.currentTimeMillis();
ByteBuf buffer = null;
for (int i = 0; i < loop; i++) {
buffer = Unpooled.directBuffer(1024);
buffer.writeBytes(CONTENT);
}
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("非内存池分配缓冲区耗时" + (endTime - startTime2) + "ms.");
高效的 Reactor 线程模型
常用的 Reactor 线程模型有三种，分别如下：
- Reactor 单线程模型；
- Reactor 多线程模型；
- 主从 Reactor 多线程模型
Reactor 单线程模型，指的是所有的 IO 操作都在同一个 NIO 线程上面完成，NIO 线程的职责如下：
- 作为 NIO 服务端，接收客户端的 TCP 连接；
- 作为 NIO 客户端，向服务端发起 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。 Reactor 单线程模型示意图如下所示：
由于 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 IO，所有的 IO 操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有 IO 相 关的操作。从架构层面看，一个 NIO 线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过 Acceptor 接收客户端的 TCP 连接 请求消息，链路建立成功之后，通过 Dispatch 将对应的 ByteBuffer 派发到指定的 Handler 上进行消息解码。用户 Handler 可以通过 NIO 线程将消息发送给客户端。
对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用却不合适，主要原因如下：
- 一个 NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便 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 线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了 NIO 线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，NIO 线程会成为系统的性能瓶颈；
- 可靠性问题：一旦 NIO 线程意外跑飞，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消 息，造成节点故障。
Reactor 多线程模型
Rector 多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组 NIO 线程处理 IO 操作，它的原理图如下：
Reactor 多线程模型的特点：
- 有专门一个 NIO 线程-Acceptor 线程用于监听服务端，接收客户端的 TCP 连接请求；
- 网络 IO 操作-读、写等由一个 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；
- 1 个 NIO 线程可以同时处理 N 条链路，但是 1 个链路只对应 1 个 NIO 线程，防止发生并发操作问题。 在绝大多数场景下，Reactor 多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极特殊应用场景中，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。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行 安全认证，认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个 Acceptor 线程可能会存在性能不足问题，
为了解决性能问题，产生了第三种 Reactor 线程模型-主从 Reactor 多线程模型。
主从 Reactor 线程模型的特点是：
服务端用于接收客户端连接的不再是个 1 个单独的 NIO 线程，而是一个独立的 NIO 线程池。Acceptor 接收到客户端 TCP 连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的 SocketChannel 注 册到 IO 线程池（sub reactor 线程池）的某个 IO 线程上，由它负责 SocketChannel 的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端 subReactor 线程池的 IO 线程上，由 IO 线程负责后续的 IO 操作。
利用主从 NIO 线程模型，可以解决 1 个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。因此，在 Netty 的官方 demo 中，推荐使用该线程模型。 事实上，Netty 的线程模型并非固定不变，通过在启动辅助类中创建不同的 EventLoopGroup 实例并通过适当的参数 配置，就可以支持上述三种 Reactor 线程模型。正是因为 Netty 对 Reactor 线程模型的支持提供了灵活的定制能力， 所以可以满足不同业务场景的性能诉求。
无锁化的串行设计理念
在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来 严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能的避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息 的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。
为了尽可能提升性能，Netty 采用了串行无锁化设计，在 IO 线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。
表面上看，串行化设计似乎 CPU 利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整 NIO 线程池的线程参数，可以同时启动 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-多个工作线程模型性能更优。 Netty 的串行化设计工作原理图如下：
Netty 的 NioEventLoop 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 NioEventLoop 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。
高效的并发编程
Netty 的高效并发编程主要体现在如下几点：
- volatile 的大量、正确使用;
- CAS 和原子类的广泛使用；
- 线程安全容器的使用；
- 通过读写锁提升并发性能。
高性能的序列化框架
影响序列化性能的关键因素总结如下：
- 序列化后的码流大小（网络带宽的占用）；
- 序列化&反序列化的性能（CPU 资源占用）；
- 是否支持跨语言（异构系统的对接和开发语言切换）。
Netty 默认提供了对 Google Protobuf 的支持，通过扩展 Netty 的编解码接口，用户可以实现其它的高性能序列化框架，
例如 Thrift 的压缩二进制编解码框架。下面我们一起看下不同序列化&反序列化框架序列化后的字节数组对比：
从上图可以看出，Protobuf 序列化后的码流只有 Java 序列化的 1/4 左右。正是由于 Java 原生序列化性能表现太差， 才催生出了各种高性能的开源序列化技术和框架（性能差只是其中的一个原因，还有跨语言、IDL 定义等其它因素）。
灵活的 TCP 参数配置能力
合理设置 TCP 参数在某些场景下对于性能的提升可以起到显著的效果，例如 SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF。如果设置 不当，对性能的影响是非常大的。下面我们总结下对性能影响比较大的几个配置项：
- SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF：通常建议值为 128K 或者 256K；
- SO_TCPNODELAY：NAGLE 算法通过将缓冲区内的小封包自动相连，组成较大的封包，阻止大量小封包的发送阻塞网络，从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法；
- 软中断：如果 Linux 内核版本支持 RPS（2.6.35 以上版本），开启 RPS 后可以实现软中断，提升网络吞吐量。RPS 根据数据包的源地址，目的地址以及目的和源端口，计算出一个 hash 值，然后根据这个 hash 值来选择软中断运行的 cpu，从上层来看，也就是说将每个连接和 cpu 绑定，并通过这个 hash 值，来均衡软中断在多个 cpu 上，提升网络并 行处理性能。
Netty 在启动辅助类中可以灵活的配置 TCP 参数，满足不同的用户场景。相关配置接口定义如下：
