Netty之工作原理

1、架构设计

Netty 采用了比较典型的三层网络架构进行设计，逻辑架构图如下所示：

1.png

第一层：Reactor 通信调度层，它由一系列辅助类完成，包括 Reactor 线程 NioEventLoop 以及其父类、NioSocketChannel/NioServerSocketChannel 以及其父类、ByteBuffer 以及由其衍生出来的各种 Buffer、Unsafe 以及其衍生出的各种内部类等。该层的主要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取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，例如连接创建、连接激活、读事件、写事件等等，将这些事件触发到 PipeLine 中，由 PipeLine 充当的职责链来进行后续的处理。

第二层：职责链 PipeLine，它负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链可以选择监听和处理自己关心的事件，它可以拦截处理和向后/向前传播事件，不同的应用的 Handler 节点的功能也不同，通常情况下，往往会开发编解码 Hanlder 用于消息的编解码，它可以将外部的协议消息转换成内部的 POJO 对象，这样上层业务侧只需要关心处理业务逻辑即可，不需要感知底层的协议差异和线程模型差异，实现了架构层面的分层隔离。

第三层：业务逻辑处理层，可以分为两类：

• 纯粹的业务逻辑处理，例如订单处理。
• 应用层协议管理，例如HTTP协议、FTP协议等。

2、模块组件

2.1 Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

2.2 Future、ChannelFuture

正如前面介绍，在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。

但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

2.3 Channel

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

• 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
• 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
• 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。
• 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。下面是一些常用的 Channel 类型：

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

2.4 Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

2.5 NioEventLoop

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：

• I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。
• 非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制，默认为 50，则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。

2.6 NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程。

2.7 ChannelHandler

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

• ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
• ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

2.8 ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。

2.9 ChannelPipline

保存ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明，描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。

I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理，并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。

例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)和ChannelOutboundInvoker.write(Object)转发到其最近的处理程序。

2.jpeg

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。

通常通过实际输入操作（例如SocketChannel.read(ByteBuffer)）从远程读取入站数据。

出站事件由上而下方向处理，如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输，例如 write 请求。

I/O 线程通常执行实际的输出操作，例如 SocketChannel.write(ByteBuffer)。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下：

3.jpeg

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。

入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰。

3、工作原理

初始化并启动 Netty 服务端示例代码如下：

    public static void main(String[] args) {

        // 创建mainReactor
        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();

        // 创建工作线程组
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

        serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) // 组装NioEventLoopGroup
                .channel(NioServerSocketChannel.class) // 设置channel类型为NIO类型
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)// 设置连接配置参数
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                .childHandler(new ChannelInitializer() {// 配置入站、出站事件handler

                    @Override
                    protected void initChannel (NioSocketChannel ch) {

                        // 配置入站、出站事件channel
                        ch.pipeline().addLast(...);
                        ch.pipeline().addLast(...);

                    }
                });

        // 绑定端口
        int port = 8080;
        serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

            if (future.isSuccess()) {

                System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");

            } else {

                System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");

            }

        });

    }

虽然 Netty 的线程模型基于主从 Reactor 多线程，借用了 MainReactor 和 SubReactor 的结构。但是实际实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中。bossGroup 线程池则只是在 Bind 某个端口后，获得其中一个线程作为 MainReactor，专门处理端口的 Accept 事件，每个端口对应一个 Boss 线程。workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充分利用。

基本过程如下：

• 初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup，其中bossGroup 用于 Accetpt 连接建立事件并分发请求，workerGroup 用于处理 I/O 读写事件和业务逻辑。
• 基于 ServerBootstrap(服务端启动引导类)，配置 EventLoopGroup、Channel 类型，连接参数、配置入站、出站事件 handler。
• 绑定端口，开始工作。

结合上面介绍的 Netty Reactor 模型，介绍服务端 Netty 的工作架构图：

4.jpeg

Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup。

NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组，这个组里包含多个事件循环 NioEventLoop，每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。

每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

• 轮询 Accept 事件
• 处理 Accept I/O 事件，与 Client 建立连接，生成 NioSocketChannel，并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上
• 处理任务队列中的任务，任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务，或者其他线程提交到该 eventloop 的任务

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

• 轮询 Read、Write 事件
• 处理 I/O 事件，即 Read、Write 事件，在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理
• 处理任务队列中的任务

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景：

• 用户程序自定义的普通任务

ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {

  @Override
  public void run () {

    //...

  }

});

• 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法

例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。

• 用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {

  @Override

  public void run () {

  }

}, 60, TimeUnit.SECONDS);