11.Netty源码之线程模型

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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。

Netty官网说明

Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。

Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序。

Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程。

Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用。

知名的 Elasticsearch 、Dubbo、RocketMQ 框架内部都采用了 Netty。

Netty的优点

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(Netty 3.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

Netty版本说明

netty版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x 因为Netty5出现重大bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本

目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x 和 netty4.1.x 。当前专栏主要用的是Netty4.1.x 版本。

netty 下载地址： https://bintray.com/netty/downloads/netty/

线程模型

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

工作原理

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 每个连接都需要一个独立的线程完成数据的输入，业务处理,数据返回

问题分析

并发数大,需要创建大量线程

1.当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源。

线程阻塞资源浪费。

2.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。

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。

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图：

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)

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。

Reactor模式核心

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。

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

方案说明

EventLoopGroup只包含一个EventLoop即只有1个线程，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup。

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 群聊案例就属于这种模型。

方案优缺点

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

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

EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup。

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, 则由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

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

EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 是主Reactor，Worker 是从Reactor。

它们分别使用不同的 EventLoopGroup。

主 Reactor 负责新的网络连接 Channel 创建，然后把 Channel 注册到从Reactor。

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 将连接成功的channel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 将结果返回给client。

Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor。

方案优缺点

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。

生活案例理解3种模式

单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人,全程为顾客服务。

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。

Netty模型:主从Reactor多线程

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-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-详细版

Netty线程模型方案说明

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表示1个线程组,1个NioEventLoopGroup可以含有多个NioEventLoop即对应多个线程。

NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都绑定了一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯。

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。

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workerGroup的NioEventLoop上的selector

---处理任务队列的任务即 runAllTasks

每个WorkerGroup中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WorkerGroup中的NioEventLoop在处理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline中封装了channel,通过pipeline可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器。

总结

NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop。

每个 NioEventLoop 中绑定1个Selector和1个taskQueue。

每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 Channel。

每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop上。

每个 NioChannel 都绑定有一个ChannelPipeline,该ChannelPipeline存储了所有这个channel的handler。