Netty学习

Netty面经总结

2019-09-14  本文已影响0人  千淘萬漉

BIO、NIO和AIO的区别

思路：此处先从OS操作系统层面IO模型和阻塞、非阻塞模式开始介绍，然后拓展到应用层的实现，在NIO的时候可突出下底层Epoll的特点。

BIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的；BIO的各种流是阻塞的。而NIO是非阻塞的；BIO的Stream是单向的，而NIO的channel是双向的。

NIO的特点：事件驱动模型、单线程处理多任务、非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞，而是返回0、基于block的传输比基于流的传输更高效、更高级的IO函数zero-copy、IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性。基于Reactor线程模型。

source：《网络编程之IO、NIO和Netty》、浅析IO模型

NIO组成

此处重点介绍NIO的三大组件Buffer、Channel以及Selector，同时可以讲述NIO编码的流程。

Selector在Linux的实现类是EPollSelectorImpl，委托给EPollArrayWrapper实现，其中三个
native方法是对epoll的封装，而EPollSelectorImpl. implRegister方法，通过调用epoll_ctl向epoll实例中注册事件，还将注册的文件描述符(fd)与SelectionKey的对应关系添加到fdToKey中，这个map维护了文件描述符与SelectionKey的映射。

NIO的服务端建立过程：Selector.open()：打开一个Selector；ServerSocketChannel.open()：创建服务端的Channel；bind()：绑定到某个端口上。并配置非阻塞模式；register()：注册Channel和关注的事件到Selector上；select()轮询拿到已经就绪的事件。

为什么是Netty

Netty的使用场景

JDK 中 NIO 的 epoll bug

Epoll bug会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK 1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK 1.7版本该问题仍旧存在，只不过该BUG发生概率降低了一些而已，它并没有得到根本性解决。

while (true) {
            //select()方法本来是阻塞的，此处却被唤醒
            int keys = selector.select()
            Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();
            //keys = 0，以下不会被执行，导致不断while不断空循环，直到cpu资源耗尽。
            while (iterator.hasNext()) {
                //...省略
            }
        }

Netty的修复方式：对Selector的select操作周期进行统计，每完成一次空的select操作进行一次计数，若在某个周期内连续发生N次空轮询，则触发了epoll死循环bug。空轮询达到阈值（默认是512）重建Selector，判断是否是其他线程发起的重建请求，若不是则将原SocketChannel从旧的Selector上去除注册，重新注册到新的Selector上，并将原来的Selector关闭。

long currentTimeNanos = System.nanoTime();
for (;;) {
    // 1.定时任务截止事时间快到了，中断本次轮询
    ...
    // 2.轮询过程中发现有任务加入，中断本次轮询
    ...
    // 3.阻塞式select操作
    selector.select(timeoutMillis);
    // 4.解决jdk的nio bug
    long time = System.nanoTime();
    if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
        selectCnt = 1;
    } else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&
            selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {

        rebuildSelector();
        selector = this.selector;
        selector.selectNow();
        selectCnt = 1;
        break;
    }
    currentTimeNanos = time; 
    ...
 }

source: JDK Epoll空轮询bug

TCP 粘包/拆包

记住发送数据与TCP缓冲区、MSS的关系即可回答。

TCP粘包/拆包的解决办法

Netty Reactor线程模型

Netty通过Reactor模型基于多路复用器接收并处理用户请求，内部实现了两个线程池，boss线程池和work线程池，其中boss线程池的线程负责处理请求的accept事件，当接收到accept事件的请求时，把对应的socket封装到一个NioSocketChannel中，并交给work线程池，其中work线程池负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。

单线程模型：所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。既要接收客户端的连接请求,向服务端发起连接，又要发送/读取请求或应答/响应消息。一个NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，速度慢，若线程进入死循环，整个程序不可用，对于高负载、大并发的应用场景不合适。

多线程模型：有一个NIO 线程（Acceptor） 只负责监听服务端，接收客户端的TCP 连接请求；NIO 线程池负责网络IO 的操作，即消息的读取、解码、编码和发送；1 个NIO 线程可以同时处理N 条链路，但是1 个链路只对应1 个NIO 线程，这是为了防止发生并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时，一个Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

主从多线程模型：Acceptor 线程用于绑定监听端口，接收客户端连接，将SocketChannel 从主线程池的Reactor 线程的多路复用器上移除，重新注册到Sub 线程池的线程上，用于处理I/O 的读写等操作，从而保证mainReactor只负责接入认证、握手等操作；

EventLoop线程模型

首先，Netty使用EventLoop来处理连接上的读写事件，而一个连接上的所有请求都保证在一个EventLoop中被处理，一个EventLoop中只有一个Thread，所以也就实现了一个连接上的所有事件只会在一个线程中被执行。一个EventLoopGroup包含多个EventLoop，可以把一个EventLoop当做是Reactor线程模型中的一个线程，而一个EventLoopGroup类似于一个ExecutorService。

Netty 的零拷贝

“零拷贝”是指计算机操作的过程中，CPU不需要为数据在内存之间的拷贝消耗资源。而它通常是指计算机在网络上发送文件时，不需要将文件内容拷贝到用户空间（User Space）而直接在内核空间（Kernel Space）中传输到网络的方式。

Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。堆内存多了一次内存拷贝，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。ByteBuffer由ChannelConfig分配，而ChannelConfig创建ByteBufAllocator默认使用Direct Buffer。

CompositeByteBuf 类可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf, 避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。addComponents方法将 header 与 body 合并为一个逻辑上的 ByteBuf， 这两个 ByteBuf 在CompositeByteBuf 内部都是单独存在的，CompositeByteBuf 只是逻辑上是一个整体。通过 FileRegion 包装的FileChannel.tranferTo方法 实现文件传输, 可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel，避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题。通过 wrap方法, 我们可以将 byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer等包装成一个 Netty ByteBuf 对象, 进而避免了拷贝操作。

source: 零拷贝的前世今生

Netty高性能

此处比较开放，除了前面提到的零拷贝、NIO、多路复用以及主从Reactor设计模式，可以在补充以下几方面：

source: Netty 系列之 Netty 高性能之道、一篇文章，读懂Netty的高性能架构之道

NIOEventLoopGroup源码及工作流程

NioEventLoopGroup(其实是MultithreadEventExecutorGroup) 内部维护一个类型为 EventExecutor children [], 默认大小是处理器核数 * 2, 这样就构成了一个线程池，初始化
EventExecutor时NioEventLoopGroup重载newChild方法，所以children元素的实际类型为NioEventLoop。

线程启动时调用SingleThreadEventExecutor的构造方法，执行NioEventLoop类的run方法，首先会调用hasTasks()方法判断当前taskQueue是否有元素。如果taskQueue中有元素，执行 selectNow() 方法，最终执行selector.selectNow()，该方法会立即返回。如果taskQueue没有元素，执行 select(oldWakenUp) 方法。

select ( oldWakenUp) 方法解决了 Nio 中的 bug，selectCnt 用来记录selector.select方法的执行次数和标识是否执行过selector.selectNow()，若触发了epoll的空轮询bug，则会反复执行selector.select(timeoutMillis)，变量selectCnt 会逐渐变大，当selectCnt 达到阈值（默认512），则执行rebuildSelector方法，进行selector重建，解决cpu占用100%的bug。

rebuildSelector方法先通过openSelector方法创建一个新的selector。然后将old selector的selectionKey执行cancel。最后将old selector的channel重新注册到新的selector中。rebuild后，需要重新执行方法selectNow，检查是否有已ready的selectionKey。

接下来调用processSelectedKeys 方法（处理I/O任务），当selectedKeys != null时，调用processSelectedKeysOptimized方法，迭代 selectedKeys 获取就绪的 IO 事件的selectkey存放在数组selectedKeys中, 然后为每个事件都调用 processSelectedKey 来处理它，processSelectedKey 中分别处理OP_READ；OP_WRITE；OP_CONNECT事件。

最后调用runAllTasks方法（非IO任务），该方法首先会调用fetchFromScheduledTaskQueue方法，把scheduledTaskQueue中已经超过延迟执行时间的任务移到taskQueue中等待被执行，然后依次从taskQueue中取任务执行，每执行64个任务，进行耗时检查，如果已执行时间超过预先设定的执行时间，则停止执行非IO任务，避免非IO任务太多，影响IO任务的执行。

每个NioEventLoop对应一个线程和一个Selector，NioServerSocketChannel会主动注册到某一个NioEventLoop的Selector上，NioEventLoop负责事件轮询。

Outbound 事件都是请求事件, 发起者是 Channel，处理者是 unsafe，通过 Outbound 事件进行通知，传播方向是 tail到head。Inbound 事件发起者是 unsafe，事件的处理者是 Channel, 是通知事件，传播方向是从头到尾。

ByteBuf特点

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