Netty那点事-前导篇

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Netty那点事-前导篇

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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 CPU 100%。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

Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients

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• Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
• Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
• Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

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.x netty4.0.x 和 netty4.1.x
• netty 下载地址： https://bintray.com/netty/downloads/netty/

1.5 Netty常见使用场景

• 互联网行业 在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的RPC框架必不可少，Netty作为异步高新能的通信框架,往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用。 典型的应用有：阿里分布式服务框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo协议进行节点间通信，Dubbo协议默认使用Netty作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信。
• 游戏行业 无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java语言得到了越来越广泛的应用。Netty作为高性能的基础通信组件，它本身提供了TCP/UDP和HTTP协议栈。 非常方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器，地图服务器之间可以方便的通过Netty进行高性能的通信
• 大数据领域 经典的Hadoop的高性能通信和序列化组件Avro的RPC框架，默认采用Netty进行跨界点通信，它的Netty Service基于Netty框架二次封装实现

可以了解一下目前有哪些开源项目使用了 Netty：Related projects

二、线程模型前言

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，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统的讲解下 各个线程模式， 最后看看Netty 线程模型有什么优越性.
• 目前存在的线程模型有：
  • 传统阻塞 I/O 服务模型
  • Reactor 模式
• 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
• 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

• 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)

• 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

• 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

1. 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。

2. 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

3. 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。

4. 模式分类

• 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

三、Reactor线程模型

3.1 单 Reactor 单线程

一个NIO线程+一个accept线程：

1. 方案说明

• Reactor中有个select，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. 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

3.2 单Reactor多线程

1. 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. 优缺点说明

• 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.

3.3 主从 Reactor 多线程

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

1. 方案说明

• Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 Select 监控建立连接事件，收到事件后通过 Acceptor 接收，处理建立连接事件；
• Acceptor 处理建立连接事件后，MainReactor 将连接分配 Reactor 子线程 SubReactor 进行处理；
• SubReactor 将连接加入连接队列进行监听，并创建一个 Handler 用于处理各种连接事件；
• 当有新的事件发生时，SubReactor 会调用连接对应的 Handler 进行响应；
• Handler 通过 Read 读取数据后，会分发给后面的 Worker 线程池进行业务处理；
• Worker 线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理，如何将响应结果发给 Handler 进行处理；
• Handler 收到响应结果后通过 Send 将响应结果返回给 Client

2. Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解：

(Doug Lea)

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

3.3 Reactor模式小结

1. 3 种模式用生活案例来理解

• 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服
• 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
• 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

2. Reactor 模式具有如下的优点：

• 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

https://juejin.im/post/5be00763e51d453d4a5cf289

https://juejin.im/post/5a228cc15188254cc067aef8

https://juejin.im/post/5bdaf8ea6fb9a0227b02275a#heading-5

https://www.jianshu.com/p/b9f3f6a16911

https://www.infoq.cn/article/iRfKjNuxYGSVgm5CtIpr

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