Netty
一、Netty概述
1.1 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CPU100%。直到JDK 1.7版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。
1.2 Netty官网说明
- 官网
Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients
1.3 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。
1.4 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.xnetty4.0.x和netty4.1.x。 netty下载
二、Netty高性能架构设计
2.1 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。
- 目前存在的线程模型有：
- 传统阻塞
I/O服务模型。 Reactor模式。
- 传统阻塞
- 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
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)。
2.2 传统阻塞 I/O 服务模型
2.2.1 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)。
2.2.2 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。
2.2.3 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。
2.3 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。
I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想：
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。
2.4 单Reactor单线程
2.4.1 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。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。
2.4.2 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。
- 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。
2.5 单Reactor多线程
2.5.1 原理图
2.5.2 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。
2.5.3 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。
2.6 主从Reactor多线程
2.6.1 工作原理图
- 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。
2.6.2 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。
2.6.3 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。
2.7 Reactor模式小结
- 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。
2.8 Netty模型
2.8.1 工作原理示意图1-简单版
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。
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。
2.8.2 工作原理示意图2-进阶版
2.8.3 工作原理示意图-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 BossNioEventLoop 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。
- 轮询
- 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。
- 轮询
- 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可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器。
2.8.4 Netty快速入门实例-TCP服务
Netty服务器在 6669 端口监听，客户端能发送消息给服务器"hello, 服务器~"。服务器可以回复消息给客户端
"hello, 客户端~"。目的:对
Netty线程模型有一个初步认识,便于理解Netty模型理论。NettyServerpublic 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(); 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 .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//创建一个通道测试对象(匿名对象) //给pipeline设置处理器 @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 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(6669).sync(); //对关闭通道进行监听 cf.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } } }NettyServerHandler/** * 1. 我们自定义一个Handler需要继承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) * @param ctx 上下文对象, 含有管道pipeline, 通道channel,地址 * @param msg 客户端发送的数据 默认Object * @throws Exception */ @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { System.out.println("服务器读取线程 " + Thread.currentThread().getName()); 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", 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(); } }NettyClientpublic class NettyClient { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { //客户端需要一个事件循环组 EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); try { //创建客户端启动对象 //注意客户端使用的不是ServerBootstrap而是Bootstrap Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); //设置相关参数 bootstrap.group(group) //设置线程组 .channel(NioSocketChannel.class) //设置客户端通道的实现类(反射) .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { //加入自己的处理器 ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler()); } }); System.out.println("客户端 ok.."); //启动客户端去连接服务器端 //关于ChannelFuture要分析，涉及到netty的异步模型 ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6669).sync(); //给关闭通道进行监听 channelFuture.channel().closeFuture().sync(); }finally { group.shutdownGracefully(); } } }NettyClientHandlerpublic class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { //当通道就绪就会触发该方法 @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { System.out.println("client " + ctx); ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, server: (>^ω^<)喵", CharsetUtil.UTF_8)); } //当通道有读取事件时，会触发 @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; System.out.println("服务器回复的消息:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); System.out.println("服务器的地址: " + ctx.channel().remoteAddress()); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }
版权声明：本文为qq_35996924原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。