Netty学习笔记（1）

一、Netty介绍

Netty 是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速地开发可维护的高性能的面向协议的服务器和客户端，例如zookeeper、阿里的dubbo等。

Netty的主要特性如下所示（吐槽下MD的表格。。）：

分类	Netty的特性
设计	统一的API，支持多种传输类型；阻塞的和非阻塞的简单而强大的线程模型；真正的无连接数据报套接字支持；链接逻辑组件以支持复用
易于使用	详实的Javadoc和大量的示例集；不需要超过JDK 1.6+的依赖。（一些可选的特性可能需要Java 1.7+和/或额外的依赖）
性能	拥有比Java 的核心API 更高的吞吐量以及更低的延迟；得益于池化和复用，拥有更低的资源消耗；最少的内存复制
健壮性	不会因为慢速、快速或者超载的连接而导致OutOfMemoryError；消除在高速网络中NIO 应用程序常见的不公平读/写比率
安全性	完整的SSL/TLS 以及StartTLS 支持；可用于受限环境下，如Applet 和OSGI
社区驱动	发布快速而且频繁

二、Java NIO

传统的IO操作面向数据流，意味着每次从流中读一个或多个字节，直至完成，数据没有被缓存在任何地方。而NIO操作面向缓冲区，数据从Channel读取到Buffer缓冲区，随后在Buffer中处理数据。

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

• Buffer：即缓冲区，本质上是一个基本数据类型的数组，包括：ByteBuffer、CharBuffer、IntBuffer等。ByteBuffer的实现类包括 "HeapByteBuffer" 和 "DirectByteBuffer" 两种，前者在JVM堆上申请内存，后者通过unsafe.allocateMemory申请堆外内存，并维护指向该内存的地址。
  Buffer的四个主要属性：capacity（数组大小）、position（当前可以写入或读取数据的位置）、mark（用于备份当前的position）、limit（写模式下，表示最多能往Buffer里写多少数据；读模式下，表示最多可以读取多少数据）。Buffer有读和写两种模式，通过flip()方法切换。

• Channel：即通道。与流（Stream）相区别，Channel是双向的，可以异步读写，且Channel的数据总是要先读到一个Buffer中，或从Buffer中写入。Channel的实现类包括FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel等。
  通过源码可以发现，基于Channel的read()和write()方法都需要借助DirectByteBuffer进行两次数据复制操作。

• Selector：即选择器。Selector 允许单线程处理多个Channel，通过将具体的SelectableChannel对象注册到Selector，并声明需要监听的事件。一共有4种事件：connect、accept、read和write。
  服务端Selector主要执行过程：
  1、创建Selector
  2、将Channel注册到Selector，该Channel必须处于非阻塞模式下。register（）方法会返回一个SelectionKey对象，该对象包含了以下四种属性：interest集合、read集合、Channel和Selector。
  3、为SelectionKey绑定附加对象
  4、通过Selector选择通道:
   4.1、如果没有准备好的channel，select方法会被阻塞一段时间并返回0；
   4.2、selector的select方法会返回socket的个数，而且selectedKeys方法会返回对应的事件
  5、根据事件类型，进行不同的处理逻辑

三、Netty模型

Netty内部使用Reactor模型的实现。Reactor模型基于事件驱动，特别适合处理海量的I/O事件。通俗地说：当客人点菜的时候，服务员就可以去招呼其他客人了，等客人点好了菜，直接招呼一声“服务员”，马上就有个服务员过去服务。这就是用单个线程来做多线程的事。 (也就是当准备好了，通知系统，启用一个线程来处理事情)。

Netty中的Reactor模型主要由多路复用器(Acceptor)、事件分发器(Dispatcher)、事件处理器(Handler)组成，可以分为三种。

1、单线程模型

单线程模型

该模型所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。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。

2、多线程模型

多线程模型

多线程模型的特点：

• 有专门一个Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；
• 网络IO的读写操作由一个NIO线程池负责，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线程可以同时处理多条链路，但是一个链路只能对应一个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。

3、主从多线程模型

主从多线程模型

它的工作流程如下：

• 从主线程池中选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；
• Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；
• 步骤2完成之后，业务层的链路正式建立，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操作。

四、Netty组件

Netty组件示意图

他们之间的关系：

• 一个EventLoopGroup 包含一个或者多个EventLoop；
• 一个EventLoop 在它的生命周期内只和一个Thread 绑定；
• 所有由EventLoop 处理的I/O 事件都将在它专有的Thread 上被处理；
• 一个Channel 在它的生命周期内只注册于一个EventLoop；
• 一个EventLoop 可能会被分配给一个或多个Channel。

注意，在这种设计中，一个给定Channel 的I/O 操作都是由相同的Thread 执行的，实际上消除了对于同步的需要。

参考资料:

[1] Netty源码
[2]《Netty实战》
[3] https://www.jianshu.com/nb/7269354
[4] http://www.infoq.com/cn/articles/netty-threading-model#mainLogin