Netty知行

2020-06-13  本文已影响0人  贾永超

本文基于 Netty 4.1 展开介绍相关理论模型，使用场景，基本组件、整体架构，知其然且知其所以然，希望给大家在实际开发实践、学习开源项目方面提供参考。

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Netty 是一个异步事件驱动的网络应用程序框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。

JDK 原生 NIO 程序的问题

JDK 原生也有一套网络应用程序 API，但是存在一系列问题，主要如下：

Netty 的特点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行封装，解决上述问题，主要特点有：

Netty 常见使用场景

Netty 常见的使用场景如下：

有兴趣的读者可以了解一下目前有哪些开源项目使用了 Netty：Related Projects。

Netty 高性能设计

Netty 作为异步事件驱动的网络，高性能之处主要来自于其 I/O 模型和线程处理模型，前者决定如何收发数据，后者决定如何处理数据。

I/O 模型

用什么样的通道将数据发送给对方，BIO、NIO 或者 AIO，I/O 模型在很大程度上决定了框架的性能。

阻塞 I/O

传统阻塞型 I/O(BIO)可以用下图表示：

image

Blocking I/O

特点如下：

I/O 复用模型

image

在 I/O 复用模型中，会用到 Select，这个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 所不同的是这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作。

而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数。

Netty 的非阻塞 I/O 的实现关键是基于 I/O 复用模型，这里用 Selector 对象表示：

image

Nonblocking I/O

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器 Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。

当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。

线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。

一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

基于 Buffer

传统的 I/O 是面向字节流或字符流的，以流式的方式顺序地从一个 Stream 中读取一个或多个字节, 因此也就不能随意改变读取指针的位置。

在 NIO 中，抛弃了传统的 I/O 流，而是引入了 Channel 和 Buffer 的概念。在 NIO 中，只能从 Channel 中读取数据到 Buffer 中或将数据从 Buffer 中写入到 Channel。

基于 Buffer 操作不像传统 IO 的顺序操作，NIO 中可以随意地读取任意位置的数据。

线程模型

数据报如何读取？读取之后的编解码在哪个线程进行，编解码后的消息如何派发，线程模型的不同，对性能的影响也非常大。

事件驱动模型

通常，我们设计一个事件处理模型的程序有两种思路：

以 GUI 的逻辑处理为例，说明两种逻辑的不同：

这里借用 O'Reilly 大神关于事件驱动模型解释图：

image

事件驱动模型

主要包括 4 个基本组件：

可以看出，相对传统轮询模式，事件驱动有如下优点：

Reactor 线程模型

Reactor 是反应堆的意思，Reactor 模型是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式。

服务端程序处理传入多路请求，并将它们同步分派给请求对应的处理线程，Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式，即 I/O 多了复用统一监听事件，收到事件后分发(Dispatch 给某进程)，是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

Reactor 模型中有 2 个关键组成：

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Reactor 模型

取决于 Reactor 的数量和 Hanndler 线程数量的不同，Reactor 模型有 3 个变种：

可以这样理解，Reactor 就是一个执行 while (true) { selector.select(); …} 循环的线程，会源源不断的产生新的事件，称作反应堆很贴切。

篇幅关系，这里不再具体展开 Reactor 特性、优缺点比较，有兴趣的读者可以参考我之前另外一篇文章：《理解高性能网络模型》。

Netty 线程模型

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如下图）做了一定的修改，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor：

这里引用 Doug Lee 大神的 Reactor 介绍：Scalable IO in Java 里面关于主从 Reactor 多线程模型的图：

image

主从 Rreactor 多线程模型

特别说明的是：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：

EventLoopGroup bossGroup = newNioEventLoopGroup();

EventLoopGroup workerGroup = newNioEventLoopGroup();

ServerBootstrap server= newServerBootstrap();

server.group(bossGroup, workerGroup)

.channel(NioServerSocketChannel. class)

上面代码中的 bossGroup 和 workerGroup 是 Bootstrap 构造方法中传入的两个对象，这两个 group 均是线程池：

异步处理

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture。

调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。

当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作。

常见有如下操作：

例如下面的代码中绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑。

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

if(future.isSuccess()) {

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

} else{

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

}

});

相比传统阻塞 I/O，执行 I/O 操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O 操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量。

Netty 架构设计

前面介绍完 Netty 相关一些理论，下面从功能特性、模块组件、运作过程来介绍 Netty 的架构设计。

功能特性

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Netty 功能特性如下：

模块组件

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。

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。

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：

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：

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 。

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：

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。

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。

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：

或者使用以下适配器类：

ChannelHandlerContext

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

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。

image

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：

image

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。

Netty 工作原理架构

初始化并启动 Netty 服务端过程如下：

publicstaticvoidmain(String[] args) {

// 创建mainReactor

NioEventLoopGroup boosGroup = newNioEventLoopGroup();

// 创建工作线程组

NioEventLoopGroup workerGroup = newNioEventLoopGroup();

final ServerBootstrap serverBootstrap = newServerBootstrap();

serverBootstrap

// 组装NioEventLoopGroup

. group(boosGroup, workerGroup)

// 设置channel类型为NIO类型

.channel(NioServerSocketChannel.class)

// 设置连接配置参数

.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)

.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)

.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)

// 配置入站、出站事件handler

.childHandler( newChannelInitializer<NioSocketChannel>() {

@ Override

protectedvoidinitChannel(NioSocketChannel ch) {

// 配置入站、出站事件channel

ch.pipeline().addLast(...);

ch.pipeline().addLast(...);

}

});

// 绑定端口

intport = 8080;

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

if(future.isSuccess()) {

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

} else{

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

}

});

}

基本过程如下：

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

image

服务端 Netty Reactor 工作架构图

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：

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景。

①用户程序自定义的普通任务

ctx.channel().eventLoop().execute( newRunnable() {

@Override

publicvoidrun(){

//...

}

});

②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。

③用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule( newRunnable() {

@Override

publicvoidrun(){

}

}, 60, TimeUnit.SECONDS);

总结

现在稳定推荐使用的主流版本还是 Netty4，Netty5 中使用了 ForkJoinPool，增加了代码的复杂度，但是对性能的改善却不明显，所以这个版本不推荐使用，官网也没有提供下载链接。

Netty 入门门槛相对较高，是因为这方面的资料较少，并不是因为它有多难，大家其实都可以像搞透 Spring 一样搞透 Netty。

在学习之前，建议先理解透整个框架原理结构，运行过程，可以少走很多弯路。

参考资料：

作者：陈彩华

编辑：陶家龙、孙淑娟

出处：转载自Hollis（ID：hollischuang）微信公众号

陈彩华(caison)，从事服务端开发，善于系统设计、优化重构、线上问题排查工作，主要开发语言是 Java，微信号：hua1881375。

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