Netty线程模型介绍
线程模型基本介绍:
- 不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统 的讲解下 各个线程模式，
最后看看Netty 线程模型有什么优越性. - 目前存在的线程模型有：
传统阻塞 I/O 服务模型
Reactor 模式 - 根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现:
单 Reactor 单线程；
单 Reactor 多线程；
主从 Reactor 多线程 - Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)
传统阻塞 I/O 服务模型:
模型特点
- 采用阻塞IO模式获取输入的数据
- 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理, 数据返回
问题分析 - 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
- 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程 会阻塞在read 操作，造成线程资源浪费
Reactor 模式:
针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：
-
基于 I/O 复用模型：
多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等 待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应 用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理
Reactor 对应的叫法:
1. 反应器模式
2. 分发者模式(Dispatcher)
3. 通知者模式(notifier) -
基于线程池复用线程资源：
不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理 任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。
Reactor 模式:
I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想， 如图：
说明:
- Reactor 模式，通过一个或多个输 入同时传递给服务处理器的模式 (基于事件驱动)
- 服务器端程序处理传入的多个请求, 并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式
- Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进 程), 这点就是网络服务器高并发处理关键
Reactor 模式:
Reactor 模式中 核心组成：
- Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处 理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并 将线路转移到适当的联系人；
- Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公 司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行 非阻塞操作。
Reactor 模式:
根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现:
- 单 Reactor 单线程
- 单 Reactor 多线程
- 主从 Reactor 多线程
单Reactor 单线程:
- Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻 塞对象监听多路连接请求
- Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
- 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
- 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
- Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程
**结合实例：**服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写 等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑，前面的 NIO 案例就属于这种模型
方案优缺点分析：
- 优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
- 缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某 个连接上的业务时，
整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈 - 缺点：可靠性问题，线程意外终止，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
4) 使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复 杂度 O(1) 的情况
单Reactor多线程:
方案说明
- Reactor 对象通过select 监控客户端请求 事件, 收到事件后，通过dispatch进行分发
- 如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象 处理完成连接后的各种事件
- 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
- handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线 程池的某个线程处理业务
- worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务， 并将结果返回给handler
- handler收到响应后，通过send 将结果返回给 client
方案优缺点分析：
- 优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力
- 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈.
主从 Reactor 多线程：
针对单 Reactor 多线程模型中，Reactor 在单线程中运 行，高并发场景下容易成为性能瓶颈，可以让 Reactor 在多线程中运行
方案说明
- Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收 到事件后，通过Acceptor 处理连接事件
- 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor
- subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler 进行各种事件处理
- 当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理
- handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
- worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返 回结果
- handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返
主从 Reactor 多线程：
方案优缺点说明：
- 优点：父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线 程完成后续的业务处理。
- 优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线 程，子线程无需返回数据。
- 缺点：编程复杂度较高 结合实例：
这种模型在许多项目中广泛使用，包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型，
Memcached 主从多线程，Netty 主从多线程模型的支持
3 种模式用生活案例来理解：
- 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服
- 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
- 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生
Reactor 模式具有如下的优点：
- 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的
- 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程 的切换开销
- 扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
- 复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性
Netty 模型：
工作原理示意图1-简单版：
netty主要是基于Reactors多线程模型，做了一定的改进，其中主从Reactors多线程模型有多个Reactors
- BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accecpt
- 当接收到Accept事件，获取到对应的 SocketChannel,
封装成 NIOScoketChannel并注册到 Worker 线程(事件循环), 并进行维护 - 当Worker线程监听到selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，
就进行处理(就由handler)， 注意 handler 已经加入到通道
工作原理示意图2-进阶版:
Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型
（如图）做了一定的改进，其 中主从 Reactor 多线程模 型有多个 Reactor
工作原理示意图3-详细版:
- Netty抽象出两组线程池 BossGroup专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写
- BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
- NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环 ，每一个事件循环是 NioEventLoop
- NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，
每个 NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯 - NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
- 每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步：
- 轮询accept 事件
- 处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 上的 selector
- 处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks
- 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤：
- 轮询read, write 事件
- 处理i/o事件， 即read , write 事件，在对应NioScocketChannel 处理
- 处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks
- 每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline 中包含了 channel ,
即通过pipeline可以获取到对应的通道，管道中维护了很多的处理器
Netty快速入门实例-TCP服务：
代码数据
任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景：
- 用户程序自定义的普通任务
- 用户自定义定时任务
- 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
public class NettyServer {
public static void main(String[] args) throws Exception {
//创建BossGroup 和 WorkerGroup
//说明
//1. 创建两个线程组 bossGroup 和 workerGroup
//2. bossGroup 只是处理连接请求 , 真正的和客户端业务处理，会交给 workerGroup完成
//3. 两个都是无限循环
//4. bossGroup 和 workerGroup 含有的子线程(NioEventLoop)的个数
// 默认实际 cpu核数 * 2
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); //8
try {
//创建服务器端的启动对象，配置参数
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
//使用链式编程来进行设置
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组
.channel(NioServerSocketChannel.class) //使用NioSocketChannel 作为服务器的通道实现
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 设置线程队列得到连接个数
.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) //设置保持活动连接状态
// .handler(null) // 该 handler对应 bossGroup , childHandler 对应 workerGroup
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//创建一个通道初始化对象(匿名对象)
//给pipeline 设置处理器
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
System.out.println("客户socketchannel hashcode=" + ch.hashCode()); //可以使用一个集合管理 SocketChannel， 再推送消息时，可以将业务加入到各个channel 对应的 NIOEventLoop 的 taskQueue 或者 scheduleTaskQueue
ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
}
}); // 给我们的workerGroup 的 EventLoop 对应的管道设置处理器
System.out.println(".....服务器 is ready...");
//绑定一个端口并且同步, 生成了一个 ChannelFuture 对象
//启动服务器(并绑定端口)
ChannelFuture cf = bootstrap.bind(6668).sync();
//给cf 注册监听器，监控我们关心的事件
cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
if (cf.isSuccess()) {
System.out.println("监听端口 6668 成功");
} else {
System.out.println("监听端口 6668 失败");
}
}
});
//对关闭通道进行监听
cf.channel().closeFuture().sync();
}finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.util.CharsetUtil;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/*
说明
1. 我们自定义一个Handler 需要继续netty 规定好的某个HandlerAdapter(规范)
2. 这时我们自定义一个Handler , 才能称为一个handler
*/
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
//读取数据实际(这里我们可以读取客户端发送的消息)
/*
1. ChannelHandlerContext ctx:上下文对象, 含有 管道pipeline , 通道channel, 地址
2. Object msg: 就是客户端发送的数据 默认Object
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
/*
//比如这里我们有一个非常耗时长的业务-> 异步执行 -> 提交该channel 对应的
//NIOEventLoop 的 taskQueue中,
//解决方案1 用户程序自定义的普通任务
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵2", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception ex) {
System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
}
}
});
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵3", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception ex) {
System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
}
}
});
//解决方案2 : 用户自定义定时任务 -》 该任务是提交到 scheduleTaskQueue中
ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵4", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception ex) {
System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());
}
}
}, 5, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("go on ...");*/
System.out.println("服务器读取线程 " + Thread.currentThread().getName() + " channle =" + ctx.channel());
System.out.println("server ctx =" + ctx);
System.out.println("看看channel 和 pipeline的关系");
Channel channel = ctx.channel();
ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站
//将 msg 转成一个 ByteBuf
//ByteBuf 是 Netty 提供的，不是 NIO 的 ByteBuffer.
ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
System.out.println("客户端发送消息是:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("客户端地址:" + channel.remoteAddress());
}
//数据读取完毕
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
//writeAndFlush 是 write + flush
//将数据写入到缓存，并刷新
//一般讲，我们对这个发送的数据进行编码
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵1", CharsetUtil.UTF_8));
}
//处理异常, 一般是需要关闭通道
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
ctx.close();
}
}
方案再说明：
1.netty抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负 责网络读写操作。
2.NioEventLoop 表示一个不断循环执行处理任务的线程,
每个 NioEventLoop 都有一个selector，用于监听绑定在其上的 socket 网络通道。
3) NioEventLoop 内部采用串行化设计，
从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责
• NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
• 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue
• 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel
• 每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上
• 每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline
异步模型:
- 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组件在完成后，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，而是通过 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
- Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的之上的。callback 就是回调。
重点说 Future，它的核心思想是：
假设一个方法 fun，计算过程可能非常耗时，等待 fun返回 显然不合适。那么可以在调用 fun 的时候，
立马返回一个 Future，后续可以通过 Future去监控方法 fun 的处理过程(即 ： Future-Listener 机制)
Future 说明:
1) 表示异步的执行结果, 可以通过它提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等 等.
2) ChannelFuture 是一个接口 ： public interface ChannelFuture extends Future
我们可以添加监听器，当监听的事件发生时，就会通知到监听器. 案例说明
说明:
1) 在使用 Netty 进行编程时，拦截操作和转换出入站数据只需要您提供 callback 或利用 future 即可。
这使得链式操作简单、高效, 并有利于编写可重用的、通用的代码。
2) Netty 框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来、解脱出来
Future-Listener 机制:
- 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作。 - 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，则通知指定的监听器
演示：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:
**小结：**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
快速入门实例-HTTP服务：
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
public class TestServer {
public static void main(String[] args) throws Exception{
NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
NioEventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
try{
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(bossGroup, workGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new TestServerInitializer());
ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(7000).sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.handler.codec.http.*;
import io.netty.util.CharsetUtil;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
public class TestServerHttpHandler extends SimpleChannelInboundHandler<HttpObject> {
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, HttpObject msg) throws Exception {
//channelRead0读取客户端数据
// 判断msg 是不是httpRequest 请求
if(msg instanceof HttpRequest){
System.out.println("msg类型是："+ msg.getClass());
System.out.println("客户端地址是："+ ctx.channel().remoteAddress());
//回复信息给浏览器 http 协议
ByteBuf content = Unpooled.copiedBuffer("hello 我是服务器", CharsetUtil.UTF_8);
// 构造一个http 响应, 即httpResponse
FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK,content);
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, "text/plain");
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, content.readableBytes());
// 将构建好的 response 返回
ctx.writeAndFlush(response);
}
}
}
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.HttpServerCodec;
public class TestServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
// 向管道加入处理器
//得到管道
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
//加入一个netty提供的httpServerCodec
pipeline.addLast("MyHttpServerCodec", new HttpServerCodec());
pipeline.addLast("MyTestServerHttpHandler", new TestServerHttpHandler());
System.out.println("ok~~~~");
}
}