一文理解Netty模型架構
本文基於Netty4.1展開介紹相關理論模型，使用場景，基本元件、整體架構， 知其然且知其所以然 ，希望給讀者提供學習實踐參考。
1 Netty簡介
Netty是 一個非同步事件驅動的網路應用程式框架，用於快速開發可維護的高效能協議伺服器和客戶端。
JDK原生IO/">NIO程式的問題
JDK原生也有一套網路應用程式API，但是存在一系列問題，主要如下：
- NIO的類庫和API繁雜，使用麻煩，你需要熟練掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等
- 需要具備其它的額外技能做鋪墊，例如熟悉Java多執行緒程式設計，因為NIO程式設計涉及到Reactor模式，你必須對多執行緒和網路程式設計非常熟悉，才能編寫出高質量的NIO程式
- 可靠效能力補齊，開發工作量和難度都非常大。例如客戶端面臨斷連重連、網路閃斷、半包讀寫、失敗快取、網路擁塞和異常碼流的處理等等，NIO程式設計的特點是功能開發相對容易，但是可靠效能力補齊工作量和難度都非常大
- JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它會導致Selector空輪詢，最終導致CPU 100%。官方聲稱在JDK1.6版本的update18修復了該問題，但是直到JDK1.7版本該問題仍舊存在，只不過該bug發生概率降低了一些而已，它並沒有被根本解決
Netty的特點
Netty的對JDK自帶的NIO的API進行封裝，解決上述問題，主要特點有：
- 設計優雅 適用於各種傳輸型別的統一API - 阻塞和非阻塞Socket 基於靈活且可擴充套件的事件模型，可以清晰地分離關注點 高度可定製的執行緒模型 - 單執行緒，一個或多個執行緒池 真正的無連線資料報套接字支援（自3.1起）
- 使用方便 詳細記錄的Javadoc，使用者指南和示例 沒有其他依賴項，JDK 5（Netty 3.x）或6（Netty 4.x）就足夠了
- 高效能 吞吐量更高，延遲更低 減少資源消耗 最小化不必要的記憶體複製
- 安全 完整的SSL / TLS和StartTLS支援
- 社群活躍，不斷更新 社群活躍，版本迭代週期短，發現的BUG可以被及時修復，同時，更多的新功能會被加入
Netty常見使用常見
Netty常見的使用場景如下：
- 網際網路行業 在分散式系統中，各個節點之間需要遠端服務呼叫，高效能的RPC框架必不可少，Netty作為非同步高新能的通訊框架,往往作為基礎通訊元件被這些RPC框架使用。 典型的應用有：阿里分散式服務框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo協議進行節點間通訊，Dubbo協議預設使用Netty作為基礎通訊元件，用於實現各程序節點之間的內部通訊。
- 遊戲行業 無論是手遊服務端還是大型的網路遊戲，Java語言得到了越來越廣泛的應用。Netty作為高效能的基礎通訊元件，它本身提供了TCP/UDP和HTTP協議棧。 非常方便定製和開發私有協議棧，賬號登入伺服器，地圖伺服器之間可以方便的通過Netty進行高效能的通訊
- 大資料領域 經典的Hadoop的高效能通訊和序列化元件Avro的RPC框架，預設採用Netty進行跨界點通訊，它的Netty Service基於Netty框架二次封裝實現
有興趣的讀者可以瞭解一下目前有哪些開源專案使用了 Netty：Related projects
2 Netty高效能設計
Netty作為非同步事件驅動的網路，高效能之處主要來自於其I/O模型和執行緒處理模型，前者決定如何收發資料，後者決定如何處理資料
I/O模型
用什麼樣的通道將資料傳送給對方，BIO、NIO或者AIO，I/O模型在很大程度上決定了框架的效能
阻塞I/O
傳統阻塞型I/O(BIO)可以用下圖表示：
特點
- 每個請求都需要獨立的執行緒完成資料read，業務處理，資料write的完整操作
問題
- 當併發數較大時，需要建立大量執行緒來處理連線，系統資源佔用較大
- 連線建立後，如果當前執行緒暫時沒有資料可讀，則執行緒就阻塞在read操作上，造成執行緒資源浪費
I/O複用模型
在I/O複用模型中，會用到select，這個函式也會使程序阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，這兩個函式可以同時阻塞多個I/O操作，而且可以同時對多個讀操作，多個寫操作的I/O函式進行檢測，直到有資料可讀或可寫時，才真正呼叫I/O操作函式
Netty的非阻塞I/O的實現關鍵是基於I/O複用模型，這裡用Selector物件表示：
Netty的IO執行緒NioEventLoop由於聚合了多路複用器Selector，可以同時併發處理成百上千個客戶端連線。當執行緒從某客戶端Socket通道進行讀寫資料時，若沒有資料可用時，該執行緒可以進行其他任務。執行緒通常將非阻塞 IO 的空閒時間用於在其他通道上執行 IO 操作，所以單獨的執行緒可以管理多個輸入和輸出通道。
由於讀寫操作都是非阻塞的，這就可以充分提升IO執行緒的執行效率，避免由於頻繁I/O阻塞導致的執行緒掛起，一個I/O執行緒可以併發處理N個客戶端連線和讀寫操作，這從根本上解決了傳統同步阻塞I/O一連線一執行緒模型，架構的效能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。
基於buffer
傳統的I/O是面向位元組流或字元流的，以流式的方式順序地從一個Stream 中讀取一個或多個位元組, 因此也就不能隨意改變讀取指標的位置。
在NIO中, 拋棄了傳統的 I/O流, 而是引入了Channel和Buffer的概念. 在NIO中, 只能從Channel中讀取資料到Buffer中或將資料 Buffer 中寫入到 Channel。
基於buffer操作不像傳統IO的順序操作, NIO 中可以隨意地讀取任意位置的資料
執行緒模型
資料報如何讀取？讀取之後的編解碼在哪個執行緒進行，編解碼後的訊息如何派發，執行緒模型的不同，對效能的影響也非常大。
事件驅動模型
通常，我們設計一個事件處理模型的程式有兩種思路
- 輪詢方式 執行緒不斷輪詢訪問相關事件發生源有沒有發生事件，有發生事件就呼叫事件處理邏輯。
- 事件驅動方式 發生事件，主執行緒把事件放入事件佇列，在另外執行緒不斷迴圈消費事件列表中的事件，呼叫事件對應的處理邏輯處理事件。事件驅動方式也被稱為訊息通知方式，其實是設計模式中 觀察者模式 的思路。
以GUI的邏輯處理為例，說明兩種邏輯的不同：
- 輪詢方式 執行緒不斷輪詢是否發生按鈕點選事件，如果發生，呼叫處理邏輯
- 事件驅動方式 發生點選事件把事件放入事件佇列，在另外執行緒消費的事件列表中的事件，根據事件型別呼叫相關事件處理邏輯
這裡借用O'Reilly 大神關於事件驅動模型解釋圖
主要包括4個基本元件：
- 事件佇列（event queue）：接收事件的入口，儲存待處理事件
- 分發器（event mediator）：將不同的事件分發到不同的業務邏輯單元
- 事件通道（event channel）：分發器與處理器之間的聯絡渠道
- 事件處理器（event processor）：實現業務邏輯，處理完成後會發出事件，觸發下一步操作
可以看出，相對傳統輪詢模式，事件驅動有如下優點：
- 可擴充套件性好，分散式的非同步架構，事件處理器之間高度解耦，可以方便擴充套件事件處理邏輯
- 高效能，基於佇列暫存事件，能方便並行非同步處理事件
Reactor執行緒模型
Reactor是反應堆的意思，Reactor模型，是指通過一個或多個輸入同時傳遞給服務處理器的服務請求的 事件驅動處理模式 。 服務端程式處理傳入多路請求，並將它們同步分派給請求對應的處理執行緒，Reactor模式也叫Dispatcher模式，即I/O多了複用統一監聽事件，收到事件後分發(Dispatch給某程序)，是編寫高效能網路伺服器的必備技術之一。
Reactor模型中有2個關鍵組成：
-
Reactor Reactor在一個單獨的執行緒中執行，負責監聽和分發事件，分發給適當的處理程式來對IO事件做出反應。 它就像公司的電話接線員，它接聽來自客戶的電話並將線路轉移到適當的聯絡人
-
Handlers 處理程式執行I/O事件要完成的實際事件，類似於客戶想要與之交談的公司中的實際官員。Reactor通過排程適當的處理程式來響應I/O事件，處理程式執行非阻塞操作
取決於Reactor的數量和Hanndler執行緒數量的不同，Reactor模型有3個變種
- 單Reactor單執行緒
- 單Reactor多執行緒
- 主從Reactor多執行緒
可以這樣理解，Reactor就是一個執行while (true) { selector.select(); ...}迴圈的執行緒，會源源不斷的產生新的事件，稱作反應堆很貼切。
篇幅關係，這裡不再具體展開Reactor特性、優缺點比較，有興趣的讀者可以參考我之前另外一篇文章：《理解高效能網路模型》
Netty執行緒模型
Netty主要 基於主從Reactors多執行緒模型 （如下圖）做了一定的修改，其中主從Reactor多執行緒模型有多個Reactor：MainReactor和SubReactor：
- MainReactor負責客戶端的連線請求，並將請求轉交給SubReactor
- SubReactor負責相應通道的IO讀寫請求
- 非IO請求（具體邏輯處理）的任務則會直接寫入佇列，等待worker threads進行處理
這裡引用Doug Lee大神的Reactor介紹：Scalable IO in Java裡面關於主從Reactor多執行緒模型的圖
特別說明的是： 雖然Netty的執行緒模型基於主從Reactor多執行緒，借用了MainReactor和SubReactor的結構，但是實際實現上，SubReactor和Worker執行緒在同一個執行緒池中：
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap server = new ServerBootstrap(); server.group(bossGroup, workerGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) 複製程式碼
上面程式碼中的bossGroup 和workerGroup是Bootstrap構造方法中傳入的兩個物件，這兩個group均是執行緒池
- bossGroup執行緒池則只是在bind某個埠後，獲得其中一個執行緒作為MainReactor，專門處理埠的accept事件， 每個埠對應一個boss執行緒
- workerGroup執行緒池會被各個SubReactor和worker執行緒充分利用
非同步處理
非同步的概念和同步相對。當一個非同步過程呼叫發出後，呼叫者不能立刻得到結果。實際處理這個呼叫的部件在完成後，通過狀態、通知和回撥來通知呼叫者。
Netty中的I/O操作是非同步的，包括bind、write、connect等操作會簡單的返回一個ChannelFuture，呼叫者並不能立刻獲得結果，通過Future-Listener機制，使用者可以方便的主動獲取或者通過通知機制獲得IO操作結果。
當future物件剛剛建立時，處於非完成狀態，呼叫者可以通過返回的ChannelFuture來獲取操作執行的狀態，註冊監聽函式來執行完成後的操，常見有如下操作：
- 通過isDone方法來判斷當前操作是否完成
- 通過isSuccess方法來判斷已完成的當前操作是否成功
- 通過getCause方法來獲取已完成的當前操作失敗的原因
- 通過isCancelled方法來判斷已完成的當前操作是否被取消
- 通過addListener方法來註冊監聽器，當操作已完成(isDone方法返回完成)，將會通知指定的監聽器；如果future物件已完成，則理解通知指定的監聽器
例如下面的的程式碼中繫結埠是非同步操作，當繫結操作處理完，將會呼叫相應的監聽器處理邏輯
serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
if (future.isSuccess()) {
System.out.println(new Date() + ": 埠[" + port + "]繫結成功!");
} else {
System.err.println("埠[" + port + "]繫結失敗!");
}
});
複製程式碼
相比傳統阻塞I/O，執行I/O操作後執行緒會被阻塞住, 直到操作完成；非同步處理的好處是不會造成執行緒阻塞，執行緒在I/O操作期間可以執行別的程式，在高併發情形下會更穩定和更高的吞吐量。
3 Netty架構設計
前面介紹完Netty相關一些理論介紹，下面從功能特性、模組元件、運作過程來介紹Netty的架構設計
功能特性
- 傳輸服務 支援BIO和NIO
- 容器整合 支援OSGI、JBossMC、Spring、Guice容器
- 協議支援 HTTP、Protobuf、二進位制、文字、WebSocket等一系列常見協議都支援。 還支援通過實行編碼解碼邏輯來實現自定義協議
- Core核心 可擴充套件事件模型、通用通訊API、支援零拷貝的ByteBuf緩衝物件
模組元件
Bootstrap、ServerBootstrap
Bootstrap意思是引導，一個Netty應用通常由一個Bootstrap開始，主要作用是配置整個Netty程式，串聯各個元件，Netty中Bootstrap類是客戶端程式的啟動引導類，ServerBootstrap是服務端啟動引導類。
Future、ChannelFuture
正如前面介紹，在Netty中所有的IO操作都是非同步的，不能立刻得知訊息是否被正確處理，但是可以過一會等它執行完成或者直接註冊一個監聽，具體的實現就是通過Future和ChannelFutures，他們可以註冊一個監聽，當操作執行成功或失敗時監聽會自動觸發註冊的監聽事件。
Channel
Netty網路通訊的元件，能夠用於執行網路I/O操作。 Channel為使用者提供：
- 當前網路連線的通道的狀態（例如是否開啟？是否已連線？）
- 網路連線的配置引數 （例如接收緩衝區大小）
- 提供非同步的網路I/O操作(如建立連線，讀寫，繫結埠)，非同步呼叫意味著任何I / O呼叫都將立即返回，並且不保證在呼叫結束時所請求的I / O操作已完成。呼叫立即返回一個ChannelFuture例項，通過註冊監聽器到ChannelFuture上，可以I / O操作成功、失敗或取消時回撥通知呼叫方。
- 支援關聯I/O操作與對應的處理程式
不同協議、不同的阻塞型別的連線都有不同的 Channel 型別與之對應，下面是一些常用的 Channel 型別
- NioSocketChannel，非同步的客戶端 TCP Socket 連線
- NioServerSocketChannel，非同步的伺服器端 TCP Socket 連線
- NioDatagramChannel，非同步的 UDP 連線
- NioSctpChannel，非同步的客戶端 Sctp 連線
- NioSctpServerChannel，非同步的 Sctp 伺服器端連線 這些通道涵蓋了 UDP 和 TCP網路 IO以及檔案 IO.
Selector
Netty基於Selector物件實現I/O多路複用，通過 Selector, 一個執行緒可以監聽多個連線的Channel事件, 當向一個Selector中註冊Channel 後，Selector 內部的機制就可以自動不斷地查詢(select) 這些註冊的Channel是否有已就緒的I/O事件(例如可讀, 可寫, 網路連線完成等)，這樣程式就可以很簡單地使用一個執行緒高效地管理多個 Channel 。
NioEventLoop
NioEventLoop中維護了一個執行緒和任務佇列，支援非同步提交執行任務，執行緒啟動時會呼叫NioEventLoop的run方法，執行I/O任務和非I/O任務：
- I/O任務 即selectionKey中ready的事件，如accept、connect、read、write等，由processSelectedKeys方法觸發。
- 非IO任務 新增到taskQueue中的任務，如register0、bind0等任務，由runAllTasks方法觸發。
兩種任務的執行時間比由變數ioRatio控制，預設為50，則表示允許非IO任務執行的時間與IO任務的執行時間相等。
NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup，主要管理eventLoop的生命週期，可以理解為一個執行緒池，內部維護了一組執行緒，每個執行緒(NioEventLoop)負責處理多個Channel上的事件，而一個Channel只對應於一個執行緒。
ChannelHandler
ChannelHandler是一個介面，處理I / O事件或攔截I / O操作，並將其轉發到其ChannelPipeline(業務處理鏈)中的下一個處理程式。
ChannelHandler本身並沒有提供很多方法，因為這個介面有許多的方法需要實現，方便使用期間，可以繼承它的子類：
- ChannelInboundHandler用於處理入站I / O事件
- ChannelOutboundHandler用於處理出站I / O操作
或者使用以下介面卡類：
- ChannelInboundHandlerAdapter用於處理入站I / O事件
- ChannelOutboundHandlerAdapter用於處理出站I / O操作
- ChannelDuplexHandler用於處理入站和出站事件
ChannelHandlerContext
儲存Channel相關的所有上下文資訊，同時關聯一個ChannelHandler物件
ChannelPipline
儲存ChannelHandler的List，用於處理或攔截Channel的入站事件和出站操作。 ChannelPipeline實現了一種高階形式的攔截過濾器模式，使使用者可以完全控制事件的處理方式，以及Channel中各個的ChannelHandler如何相互互動。
下圖引用Netty的Javadoc4.1中ChannelPipline的說明，描述了ChannelPipeline中ChannelHandler通常如何處理I/O事件。 I/O事件由ChannelInboundHandler或ChannelOutboundHandler處理，並通過呼叫ChannelHandlerContext中定義的事件傳播方法（例如ChannelHandlerContext.fireChannelRead（Object）和ChannelOutboundInvoker.write（Object））轉發到其最近的處理程式。
I/O Request via Channel or ChannelHandlerContext | +---------------------------------------------------+---------------+ |ChannelPipeline|| |\|/| |+---------------------++-----------+----------+| || Inbound HandlerN|| Outbound Handler1|| |+----------+----------++-----------+----------+| |/|\|| ||\|/| |+----------+----------++-----------+----------+| || Inbound Handler N-1 || Outbound Handler2|| |+----------+----------++-----------+----------+| |/|\.| |..| | ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() ChannelHandlerContext.OUT_EVT()| |[ method call][method call]| |..| |.\|/| |+----------+----------++-----------+----------+| || Inbound Handler2|| Outbound Handler M-1 || |+----------+----------++-----------+----------+| |/|\|| ||\|/| |+----------+----------++-----------+----------+| || Inbound Handler1|| Outbound HandlerM|| |+----------+----------++-----------+----------+| |/|\|| +---------------+-----------------------------------+---------------+ |\|/ +---------------+-----------------------------------+---------------+ |||| |[ Socket.read() ][ Socket.write() ]| || |Netty Internal I/O Threads (Transport Implementation)| +-------------------------------------------------------------------+ 複製程式碼
入站事件由自下而上方向的入站處理程式處理，如圖左側所示。 入站Handler處理程式通常處理由圖底部的I / O執行緒生成的入站資料。 通常通過實際輸入操作（例如SocketChannel.read（ByteBuffer））從遠端讀取入站資料。
出站事件由上下方向處理，如圖右側所示。 出站Handler處理程式通常會生成或轉換出站傳輸，例如write請求。 I/O執行緒通常執行實際的輸出操作，例如SocketChannel.write（ByteBuffer）。
在 Netty 中每個 Channel 都有且僅有一個 ChannelPipeline 與之對應, 它們的組成關係如下:
一個 Channel 包含了一個 ChannelPipeline, 而 ChannelPipeline 中又維護了一個由 ChannelHandlerContext 組成的雙向連結串列, 並且每個 ChannelHandlerContext 中又關聯著一個 ChannelHandler。入站事件和出站事件在一個雙向連結串列中，入站事件會從連結串列head往後傳遞到最後一個入站的handler，出站事件會從連結串列tail往前傳遞到最前一個出站的handler，兩種型別的handler互不干擾。
工作原理架構
初始化並啟動Netty服務端過程如下：
public static void main(String[] args) {
// 建立mainReactor
NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
// 建立工作執行緒組
NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap
// 組裝NioEventLoopGroup
.group(boosGroup, workerGroup)
// 設定channel型別為NIO型別
.channel(NioServerSocketChannel.class)
// 設定連線配置引數
.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(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
// 配置入站、出站事件channel
ch.pipeline().addLast(...);
ch.pipeline().addLast(...);
}
});
// 繫結埠
int port = 8080;
serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
if (future.isSuccess()) {
System.out.println(new Date() + ": 埠[" + port + "]繫結成功!");
} else {
System.err.println("埠[" + port + "]繫結失敗!");
}
});
}
複製程式碼
- 基本過程如下：
- 1 初始化建立2個NioEventLoopGroup，其中boosGroup用於Accetpt連線建立事件並分發請求， workerGroup用於處理I/O讀寫事件和業務邏輯
- 2 基於ServerBootstrap(服務端啟動引導類)，配置EventLoopGroup、Channel型別，連線引數、配置入站、出站事件handler
- 3 繫結埠，開始工作
結合上面的介紹的Netty Reactor模型，介紹服務端Netty的工作架構圖：
server端包含1個Boss NioEventLoopGroup和1個Worker NioEventLoopGroup，NioEventLoopGroup相當於1個事件迴圈組，這個組裡包含多個事件迴圈NioEventLoop，每個NioEventLoop包含1個selector和1個事件迴圈執行緒。
每個Boss NioEventLoop迴圈執行的任務包含3步：
- 1 輪詢accept事件
- 2 處理accept I/O事件，與Client建立連線，生成NioSocketChannel，並將NioSocketChannel註冊到某個Worker NioEventLoop的Selector上 *3 處理任務佇列中的任務，runAllTasks。任務佇列中的任務包括使用者呼叫eventloop.execute或schedule執行的任務，或者其它執行緒提交到該eventloop的任務。
每個Worker NioEventLoop迴圈執行的任務包含3步：
- 1 輪詢read、write事件；
- 2 處I/O事件，即read、write事件，在NioSocketChannel可讀、可寫事件發生時進行處理
- 3 處理任務佇列中的任務，runAllTasks。
其中任務佇列中的task有3種典型使用場景
- 1 使用者程式自定義的普通任務
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//...
}
});
複製程式碼
-
2 非當前reactor執行緒呼叫channel的各種方法 例如在推送系統的業務執行緒裡面，根據使用者的標識，找到對應的channel引用，然後呼叫write類方法向該使用者推送訊息，就會進入到這種場景。最終的write會提交到任務佇列中後被非同步消費。
-
3 使用者自定義定時任務
ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
}, 60, TimeUnit.SECONDS);
複製程式碼
4 總結
現在穩定推薦使用的主流版本還是Netty4，Netty5 中使用了 ForkJoinPool，增加了程式碼的複雜度，但是對效能的改善卻不明顯，所以這個版本不推薦使用，官網也沒有提供下載連結。
Netty 入門門檻相對較高，其實是因為這方面的資料較少，並不是因為他有多難，大家其實都可以像搞透 Spring 一樣搞透 Netty。在學習之前，建議先理解透整個框架原理結構，執行過程，可以少走很多彎路。