Netty 权威指南笔记（四）：架构剖析

Netty 权威指南笔记（四）：架构剖析

对 Netty 的架构进行剖析，学习其设计，便于在今后的架构设计中，设计出高性能、高可靠、可扩展的产品。

Netty 逻辑架构

Netty 采用了典型的三层网络架构进行设计和开发，其逻辑架构如下图所示：

Netty 逻辑架构图

1. Reactor 通信调度层：由一系列辅助类组成，包括 Reactor 线程 NioEventLoop 及其父类，NioSocketChannel 和 NioServerSocketChannel 等等。该层的职责就是监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读到内存缓冲区，然后触发各自网络事件，例如连接创建、连接激活、读事件、写事件等。将这些事件触发到 pipeline 中，由 pipeline 管理的职责链来进行后续的处理。
2. 职责链 ChannelPipeline：负责事件在职责链中的有序传播，以及负责动态地编排职责链。职责链可以选择监听和处理自己关心的事件，拦截处理和向后传播事件。
3. 业务逻辑编排层：业务逻辑编排层通常有两类，一类是纯粹的业务逻辑编排，一类是应用层协议插件，用于特定协议相关的会话和链路管理。由于应用层协议栈往往是开发一次到处运行，并且变动较小，故而将应用协议到 POJO 的转变和上层业务放到不同的 ChannelHandler 中，就可以实现协议层和业务逻辑层的隔离，实现架构层面的分层隔离。

关键架构质量属性

Netty 是一个高性能的、高可靠的、可扩展的异步通信框架，那么高性能、高可靠、可扩展设计体现在哪里呢？

高性能

性能是设计出来的，而不是测试出来的。那么，Netty 的架构设计是如何实现高性能的呢？

1. 采用异步非阻塞的 I/O 类库，基于 Reactor 模式实现，解决了传统同步阻塞 I/O 模式下服务端无法平滑处理客户端线性增长的问题。
2. TCP 接收和发送缓冲区采用直接内存代替堆内存，避免了内存复制，提升了 I/O 读取和写入性能。
3. 支持通过内存池的方式循环利用 ByteBuf，避免了频繁创建和销毁 ByteBuf 带来的性能消耗。
4. 可配置的 I/O 线程数目和 TCP 参数等，为不同用户提供定制化的调优参数，满足不同的性能场景。
5. 采用环形数组缓冲区，实现无锁化并发编程，代替传统的线程安全容器或锁。
6. 合理使用线程安全容器、原子类等，提升系统的并发能力。
7. 关键资源的使用采用单线程串行化的方式，避免多线程并发访问带来的锁竞争和额外的 CPU 资源消耗问题。
8. 通过引用计数器及时地释放不再被引用的对象，细粒度的内存管理降低了 GC 的频率，减少频繁 GC 带来的时延增大和 CPU 损耗。

高可靠

1. 链路有效性检测：由于长连接不需要每次发送消息都创建链路，也不需要在消息完成交互时关闭链路，因此相对于短连接性能更高。为了保证长连接的链路有效性，往往需要通过心跳机制周期性地进行链路检测。使用心跳机制的原因是，避免在系统空闲时因网络闪断而断开连接，之后又遇到海量业务冲击导致消息积压无法处理。为了解决这个问题，需要周期性地对链路进行有效性检测，一旦发现问题，可以及时关闭链路，重建 TCP 连接。为了支持心跳，Netty 提供了两种链路空闲检测机制：
   • 读空闲超时机制：连续 T 周期没有消息可读时，发送心跳消息，进行链路检测。如果连续 N 个周期没有读取到心跳消息，可以主动关闭链路，重建连接。
   • 写空闲超时机制：连续 T 周期没有消息需要发送时，发送心跳消息，进行链路检测。如果连续 N 个周期没有读取对方发回的心跳消息，可以主动关闭链路，重建连接。
2. 内存保护机制：Netty 提供多种机制对内存进行保护，包括以下几个方面：
   • 通过对象引用计数器对 ByteBuf 进行细粒度的内存申请和释放，对非法的对象引用进行检测和保护。
   • 可设置的内存容量上限，包括 ByteBuf、线程池线程数等，避免异常请求耗光内存。
3. 优雅停机：优雅停机功能指的是当系统推出时，JVM 通过注册的 Shutdown Hook 拦截到退出信号量，然后执行推出操作，释放相关模块的资源占用，将缓冲区的消息处理完成或清空，将待刷新的数据持久化到磁盘和数据库中，等到资源回收和缓冲区消息处理完成之后，再退出。

可定制、易扩展

1. 责任链模式：ChannelPipeline 基于责任链模式开发，便于业务逻辑的拦截、定制和扩展。
2. 基于接口的开发：关键的类库都提供了接口或抽象类，便于用户自定义实现。
3. 提供大量的工厂类，通过重载这些工厂类，可以按需创建出用户需要的对象。
4. 提供大量系统参数供用户按需设置，增强系统的场景定制性。

总结，是为了强化学习效果。