Netty案例集锦之多线程篇（续）
1. Netty构建推送服务问题
1.1. 问题描述
最近在使用Netty构建推送服务的过程中，遇到了一个问题，想再次请教您：如何正确的处理业务逻辑？问题主要来源于阅读您发表在InfoQ上的文章《Netty系列之Netty线程模型》，文中提到 “2.4Netty线程开发最佳实践中 2.4.2复杂和时间不可控业务建议投递到后端业务线程池统一处理。对于此类业务，不建议直接在业务ChannelHandler中启动线程或者线程池处理，建议将不同的业务统一封装成Task，统一投递到后端的业务线程池中进行处理。”
我不太理解“统一投递到后端的业务线程池中进行处理”具体如何操作？像下面这样做是否可行：
private ExecutorService executorService =
Executors.newFixedThreadPool(4);
@Override
public void channelRead (final ChannelHandlerContext ctx, final Object msg)
throws Exception {
executorService.execute(new Runnable()
{@Override
public void run() {
doSomething();
其实我想了解的是真实生产环境中如何将业务逻辑与Netty网络处理部分很好的作隔离，有没有通用的做法？
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1.2. 答疑解惑
Netty的ChannelHandler链由I/O线程执行，如果在I/O线程做复杂的业务逻辑操作，可能会导致I/O线程无法及时进行read()或者write()操作。所以，比较通用的做法如下：
- 在ChannelHanlder的Codec中进行编解码，由I/O线程做CodeC;
- 将数据报反序列化成业务Object对象之后，将业务消息封装到Task中，投递到业务线程池中进行处理，I/O线程返回。
不建议的做法：
图1-1 不推荐业务和I/O线程共用同一个线程
推荐做法：
图1-2 建议业务线程和I/O线程隔离
1.3. 问题总结
事实上，并不是说业务ChannelHandler一定不能由NioEventLoop线程执行，如果业务ChannelHandler处理逻辑比较简单，执行时间是受控的，业务I/O线程的负载也不重，在这种应用场景下，业务ChannelHandler可以和I/O操作共享同一个线程。使用这种线程模型会带来两个优势：
- 开发简单：开发业务ChannelHandler的不需要关注Netty的线程模型，只负责ChannelHandler的业务逻辑开发和编排即可，对开发人员的技能要求会低一些；
- 性能更高：因为减少了一次线程上下文切换，所以性能会更高。
在实际项目开发中，一些开发人员往往喜欢照葫芦画瓢，并不会分析自己的ChannelHandler更适合在哪种线程模型下处理。如果在ChannelHandler中进行数据库等同步I/O操作，很有可能会导致通信模块被阻塞。所以，选择什么样的线程模型还需要根据项目的具体情况而定，一种比较好的做法是支持策略配置，例如阿里的Dubbo，支持通过配置化的方式让用户选择业务在I/O线程池还是业务线程池中执行，比较灵活。
2. Netty客户端连接问题
2.1. 问题描述
Netty客户端想同时连接多个服务端，使用如下方式，是否可行，我简单测试了下，暂时没有发现问题。代码如下：
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group)
......代码省略
// Start the client.
ChannelFuture f1 = b.connect(HOST, PORT);
ChannelFuture f2 = b.connect(HOST2, PORT2);
// Wait until the connection is closed.
f1.channel().closeFuture().sync();
f2.channel().closeFuture().sync();
......代码省略
}
2.2. 答疑解惑
上述代码没有问题，原因是尽管Bootstrap自身不是线程安全的，但是执行Bootstrap的连接操作是串行执行的，而且connect(String inetHost, int inetPort)方法本身是线程安全的，它会创建一个新的NioSocketChannel，并从初始构造的EventLoopGroup中选择一个NioEventLoop线程执行真正的Channel连接操作，与执行Bootstrap的线程无关，所以通过一个Bootstrap连续发起多个连接操作是安全的，它的原理如下：
图2-1 Netty BootStrap工作原理
2.3. 问题总结
注意事项-资源释放问题: 在同一个Bootstrap中连续创建多个客户端连接，需要注意的是EventLoopGroup是共享的，也就是说这些连接共用一个NIO线程组EventLoopGroup，当某个链路发生异常或者关闭时，只需要关闭并释放Channel本身即可，不能同时销毁Channel所使用的NioEventLoop和所在的线程组EventLoopGroup，例如下面的代码片段就是错误的：
ChannelFuture f1 = b.connect(HOST, PORT);
ChannelFuture f2 = b.connect(HOST2, PORT2);
f1.channel().closeFuture().sync();
} finally {
group.shutdownGracefully();
}
线程安全问题: 需要指出的是Bootstrap不是线程安全的，因此在多个线程中并发操作Bootstrap是一件非常危险的事情，Bootstrap是I/O操作工具类，它自身的逻辑处理非常简单，真正的I/O操作都是由EventLoop线程负责的，所以通常多线程操作同一个Bootstrap实例也是没有意义的，而且容易出错，错误代码如下：
Bootstrap b = new Bootstrap();
{
//多线程执行初始化、连接等操作
}
3. 性能数据统计不准确案例
3.1. 问题描述
某生产环境在业务高峰期，偶现服务调用时延突刺问题，时延突然增大的服务没有固定规律，比例虽然很低，但是对客户的体验影响很大，需要尽快定位出问题原因并解决。
3.2. 问题分析
服务调用时延增大，但并不是异常，因此运行日志并不会打印ERROR日志，单靠传统的日志无法进行有效问题定位。利用分布式消息跟踪系统魔镜，进行分布式环境的故障定界。
通过对服务调用时延进行排序和过滤，找出时延增大的服务调用链详细信息，发现业务服务端处理很快，但是消费者统计数据却显示服务端处理非常慢，调用链两端看到的数据不一致，怎么回事？
对调用链的埋点日志进行分析发现，服务端打印的时延是业务服务接口调用的时延，并没有包含：
- 通信端读取数据报、消息解码和内部消息投递、队列排队的时间
- 通信端编码业务消息、在通信线程队列排队时间、消息发送到Socket的时间
调用链的工作原理如下：
图3-1 调用链工作原理
将调用链中的消息调度过程详细展开，以服务端读取请求消息为例进行说明，如下图所示：
图3-2 性能统计日志埋点
优化调用链埋点日志，措施如下：
- 包含客户端和服务端消息编码和解码的耗时
- 包含请求和应答消息在业务线程池队列中的排队时间；
- 包含请求和应答消息在通信线程发送队列（数组）中的排队时间
同时，为了方便问题定位，我们需要打印输出Netty的性能统计日志，主要包括：
- 每条链路接收的总字节数、周期T接收的字节数、消息接收CAPs
- 每条链路发送的总字节数、周期T发送的字节数、消息发送CAPs
优化之后，上线运行一天之后，我们通过分析比对Netty性能统计日志、调用链日志，发现双方的数据并不一致，Netty性能统计日志统计到的数据与前端门户看到的也不一致，因为怀疑是新增的性能统计功能存在BUG，继续问题定位。
首先对消息发送功能进行CodeReview，发现代码调用完writeAndFlush之后直接对发送的请求消息字节数进行计数，代码如下：
实际上，调用writeAndFlush并不意味着消息已经发送到网络上，它的功能分解如下：
图3-3 writeAndFlush 工作原理图
通过对writeAndFlush方法展开分析，我们发现性能统计代码存在如下几个问题：
- 业务ChannelHandler的执行时间
- ByteBuf在ChannelOutboundBuffer 数组中排队时间
- NioEventLoop线程调度时间，它不仅仅只处理消息发送，还负责数据报读取、定时任务执行以及业务定制的其它I/O任务
- JDK NIO类库将ByteBuffer写入到网络的时间，包括单条消息的多次写半包
由于性能统计遗漏了上述4个步骤的执行时间，因此统计出来的性能比实际值更高，这会干扰我们的问题定位。
3.3. 问题总结
其它常见性能统计误区汇总：
1. 调用write 方法之后就开始统计发送速率，示例代码如下：
2. 消息编码时进行性能统计，示例代码如下：
编码之后，获取out可读的字节数，然后做累加。编码完成，ByteBuf并没有被加入到发送队列（数组）中，因此在此时做性能统计仍然是不准的。
正确的做法：
- 调用writeAndFlush方法之后获取ChannelFuture；
- 新增消息发送ChannelFutureListener，监听消息发送结果，如果消息写入网络Socket成功，则Netty会回调ChannelFutureListener的operationComplete方法；
- 在消息发送ChannelFutureListener的operationComplete方法中进行性能统计。
示例代码如下：
问题定位出来之后，按照正确的做法对Netty性能统计代码进行了修正，上线之后，结合调用链日志，很快定位出了业务高峰期偶现的部分服务时延毛刺较大问题，优化业务线程池参数配置之后问题得到解决。
3.4. 举一反三
除了消息发送性能统计之外，Netty数据报的读取、消息接收QPS性能统计也非常容易出错，我们第一版性能统计代码消息接收CAPs也不准确，大家知道为什么吗？这个留作问题，供大家自己思考。
4. Netty线程数膨胀案例
4.1. 问题描述
分布式服务框架在进行现网问题定位时，Dump 线程堆栈之后发现Netty的NIO线程竟然有3000多个，大量的NIO线程占用了系统的句柄资源、内存资源、CPU资源等，引发了一些其它问题，需要尽快查明原因并解决线程过多问题。
4.2. 问题分析
在研发环境中模拟现网组网和业务场景，使用jmc工具进行问题定位，
使用飞行记录器对系统运行状况做快照，模拟示例图如下所示：
图4-1 使用jmc工具进行问题定位
获取到黑匣子数据之后，可以对系统的各种重要指标做分析，包括系统数据、内存、GC数据、线程运行状态和数据等，如下图所示：
图4-2 获取系统资源占用详细数据
通过对线程堆栈分析，我们发现Netty的NioEventLoop线程超过了3000个！
图4-3 Netty线程占用超过3000个
对服务框架协议栈的Netty客户端和服务端源码进行CodeReview，发现了问题所在：
- 客户端每连接1个服务端，就会创建1个新的NioEventLoopGroup，并设置它的线程数为1；
- 现网有300个+节点，节点之间采用多链路（10个链路），由于业务采用了随机路由，最终每个消费者需要跟其它200多个节点建立长连接，加上自己服务端也需要占用一些NioEventLoop线程，最终客户端单进程线程数膨胀到了3000多个。
业务的伪代码如下：
for(Link linkE : links)
{
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(1);
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
// 此处省略.....
b.connect(linkE.localAddress, linkE.remoteAddress);
}
如果客户端对每个链路连接都创建一个新的NioEventLoopGroup,则每个链路就会占用1个独立的NIO线程，最终沦为 1连接：1线程 这种同步阻塞模式线程模型。随着集群组网规模的不断扩大，这会带来严重的线程膨胀问题，最终会发生句柄耗尽无法创建新的线程，或者栈内存溢出。
从另一个角度看，1个NIO线程只处理一条链路也体现不出非阻塞I/O的优势。案例中的错误线程模型如下所示：
图4-4 错误的客户端连接线程使用方式
4.3. 案例总结
无论是服务端监听多个端口，还是客户端连接多个服务端，都需要注意必须要重用NIO线程，否则就会导致线程资源浪费，在大规模组网时还会存在句柄耗尽或者栈溢出等问题。
Netty官方Demo仅仅是个Sample，对用户而言，必须理解Netty的线程模型，否则很容易按照官方Demo的做法，在外层套个For循环连接多个服务端，然后，悲剧就这样发生了。
修正案例中的问题非常简单，原理如下：
图4-5 正确的客户端连接线程模型
5. 作者简介
李林锋，2007年毕业于东北大学，2008年进入华为公司从事高性能通信软件的设计和开发工作，有7年NIO设计和开发经验，精通Netty、Mina等NIO框架和平台中间件，现任华为软件平台架构部架构师，《Netty权威指南》作者。目前从事华为下一代中间件和PaaS平台的架构设计工作。
联系方式：新浪微博 Nettying 微信：Nettying 微信公众号：Netty之家
对于Netty学习中遇到的问题，或者认为有价值的Netty或者NIO相关案例，可以通过上述几种方式联系我。
感谢郭蕾对本文的策划和审校。