【Netty】模型篇一：Netty 线程模型架构 & 工作原理 解读

1 Netty基本介绍

1.1 回顾一下 Java 中的 I/O模型：BIO、NIO、AIO

• I/O 模型简单的理解：就是 用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。

• Java共支持3种网络编程模型/IO模式：BIO、NIO、AIO。

• Java BIO：同步并阻塞(传统阻塞型)，服务器实现模式为 一个连接对应一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。
  

• Java NIO： 同步非阻塞，服务器实现模式为 一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。
  

• Java AIO(NIO.2)：异步非阻塞，AIO 引入 异步通道 的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是：先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

BIO、NIO、AIO适用场景分析

• BIO方式适用于 连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序简单易理解。
• NIO方式适用于 连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等。编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。
• AIO方式适用于 连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。

1.2 什么是Netty?为什么需要Netty？

什么是Netty

• Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架，现为 Github上的独立项目。

• Netty 是一个 异步的、基于事件驱动 的 网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的 网络 IO 程序。相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程。

• Netty主要针对在 TCP协议下，面向Clients端的高并发应用，或者Peer-to-Peer场景下的 大量数据持续传输 的应用。
  

• Netty本质是一个 NIO框架，适用于 服务器通讯 相关的多种应用场景。

• 要透彻理解Netty ， 需要先学习 NIO ， 这样我们才能阅读 Netty 的源码。

原生NIO存在的问题

• NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
• 需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
• 开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
• JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

这也就是问什么还需要Netty的原因

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装，解决了上述问题。

• 设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池.
• 使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。
• 高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。
• 安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
• 社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

1.3 Netty的应用场景

互联网行业：在 分布式系统中，各个节点之间需要 远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 RPC 框架使用。

典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信。

游戏行业

• 无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用；
• Netty 作为高性能的基础通信组件，提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈，方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器；
• 地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。

2 传统阻塞 I/O 服务模型 & Reactor 模式

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 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

2.1 传统阻塞 I/O 服务模型

工作原理图：黄色的框表示对象， 蓝色的框表示线程，白色的框表示方法(API)

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

2.2 Reactor 模式

建议大家先学习一下NIO：https://blog.csdn.net/qq_36389060/category_11777885.html

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
• 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。

I/O 复用结合线程池，就是Reactor 模式基本设计思想

• Reactor 对应的叫法:
  • 反应器模式
  • 分发者模式(Dispatcher)
  • 通知者模式(notifier)
• Reactor 模式
  • 一个或多个请求，同时传递给 服务处理器(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 模式分类

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

2.2.1 单 Reactor 单线程

方案说明

• 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
  

方案优缺点分析

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。

• 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
  • 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

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。

2.2.2 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。

2.2.3 主从 Reactor 多线程

方案说明

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。

• 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
  

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。
  • 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 Netty 线程模型

Netty 主要基于 主从 Reactors 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。

Netty 线程模型简要概述

• 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
  

Netty 线程模型详细说明

• Nett y抽象出两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup
  • 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 Group 中的 NioEventLoop 循环执行的步骤：
  • 1）轮询accept 事件
  • 2）处理accept 事件，与client建立连接 , 生成 NioScocketChannel，并将其注册 Worker Group 上的某个 NIOEventLoop 上的 selector
  • 3）处理任务队列的任务，即 runAllTasks
• 每个 Worker Group 中的 NIOEventLoop 循环执行的步骤：
  • 1）轮询 read/write 事件
  • 2）处理 I/O 事件， 即 read/write 事件，在对应的 NioScocketChannel 上处理
  • 3）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)。pipline中包含了 channel，即通过pipline可以获取到对应的 channel，并且pipline维护了很多的 handler(处理器)来对我们的数据进行一系列的处理。
• handler(处理器) 有Netty内置的，我们也可以自己定义。