Netty：异步的，基于事件驱动的网络应用框架，快速开发高性能的服务端和客户端

一、Netty 简介

• 简介：异步的，基于事件驱动的网络应用框架，快速开发高性能的服务端和客户端
  • Core
    • Zero-Copy-Capable Rich Byte Buffer：零拷贝
    • Universal Communication API：交互 API
    • Extensible Event Model：可扩展事件模型
  • Protocol Support
    • HTTP & WebSocket、SSL-StartTLS、Google Protobuf、zlib/gzip、Large File Transfer、RTSP…
  • Transport Services
    • Socket & Datagram
    • HTTP Tunnel
    • In-VM Pipe
• 官网说明
  • 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，用于快速开发高性能、高可靠的网络 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、通信行业等获得广泛的应用
  • Elasticsearch、Dubbo 框架内部都采用 Netty
• 优点
  • 涉及优雅：适用各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket
  • 使用方便：没有其他依赖项，JDK 5 / 6 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…
• 版本说明
  • 3.x、4.x、5.x
    • 5.x 出现重大 Bug 被废弃，常用 Netty4.x

二、线程模型

2.1 传统阻塞 I/O 服务模型

• 特点
  • 采用阻塞 IO 模式获取输入数据
  • 每个连接都需要独立的线程完成数据输入、业务处理、数据返回
  • 问题
    • 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，当前线程如果没有数据可读，该线程会阻塞在 read 操作，造成线程资源浪费

2.2 Reactor 模式

• 解决 传统 IO 问题、基于 IO 复用模型、基于线程池复用线程资源
• 单 Reactor 单线程
  • 方案
    • Select 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，收到事件后进行 Dispatch 分发
    • 建立的是连接请求，由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求并创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务
    • 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
  • 优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争问题全在一个线程完成
  • 缺点：性能问题，只有一个线程，无法发挥 CPU 性能，很容易导致性能瓶颈，可靠性问题
  • 使用场景：客户端有限，业务处理迅速
• 单 Reactor 多线程
  • 方案
    • Reactor 对象通过 select 监控客户请求事件，收到后通过 dispatch 进行分发
    • 如果建立连接请求，由 Acceptor 通过 accept 进行处理，建立一个 Handler 对象处理完成各种事件
    • 不是连接请求，由 reactor 分发对应的 handler
    • handler 只负责响应，不做具体业务处理，通过 read 读取数据后，分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理
    • worker 线程池分配独立线程完成真正的业务，并返回结果给 handler
    • handler 收到响应后，通过 send 将结果返回 client
  • 优点：充分利用 CPU 多核的处理能力
  • 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂，reactor 处理所有事件的监听和响应，单线程运行很容易出现性能瓶颈
• 主从 Reactor 多线程
  • 方案
    • Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件，收到后通过 Acceptor 处理连接事件
    • 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 进行事件处理
    • 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
  • 优点：父线程和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
  • 缺点：编程复杂度高
• 说明
  • 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，并将他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），这就是网络高并发处理关键
• 核心组成
  • Reactor：在一个单独的线程运行，复制监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应
  • Handlers：处理程序执行 IO 事件要完成的实际事件，Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 IO 事件，处理程序执行非阻塞操作
  • 优点：响应快、最大程度避免复杂的多线程及同步问题、扩展性好、复用性好

三、Netty 模型

• 简单版方案
  • BossGroup 线程维护 Selector，只关注 Accept
  • 接收到 Accept 事件，获取对应的 SocketChannel 封装成 NIOSocketChannel 并注册到 Worker 线程（事件循环）中进行维护
  • 当 Worker 线程监听到 selector 中有感兴趣到事件后，就进行处理（由 handler），注意 handler 以及加入到通道
• 详细版方案
  • 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，这个组中包含多个事件循环，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，可以含有多个 NIOEventLoop
  • 每个 Boss NIOEventLoop 循环执行的步骤有三步
    • 轮询 accept 事件
    • 处理 accept 事件，与 client 建立连接，生成 NIOSocketChannel，并注册到某个 worker NIOEventLoop 上的 selector
    • 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
  • 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤
    • 轮询 read、write 事件
    • 处理 IO 事件，即 read、write 事件，在对应的 NIOSocketChannel 处理
    • 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
  • 每个 Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用 pipeline，包含了 channel，即通过 pipeline 可以获取到对应的管道，维护了很多处理器
• 任务队列中的 Task 使用场景
  • 用户自定义的普通任务
  • 用户自定义的定时任务
  • 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法
• 方案再说明
  • Netty 抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负责网络读写操作
  • NioEventLoop 表示一个不断循环执行任务处理的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 selector，用于监听绑定在其上的 socket 网络通道
  • NioEventLoop 内部采用串行化设计，从消息的读取 -> 解码 -> 编码 -> 发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责
    • NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
    • 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue
    • 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel
    • 每个 NioChannel 之后绑定在唯一的 NioEventLoop 上
    • 每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline
• 异步模型
  • 基本介绍
    • 异步过程调用发出后，不能立刻得到结果，实际处理在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者
    • Netty 中的 IO 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单返回一个 ChannelFuture
    • 调用者不能立刻得到结果，需要通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通知机制获取 IO 操作结果
    • 建立在 future 和 callback 之上
    • future 核心思想：一个方法计算过程可能非常耗时，调用的时候会返回一个 Future，通过 Future 去监控方法处理过程
  • Future 说明
    • 表示异步的执行结果，可以通过提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等
    • ChannelFuture 是一个接口，可以添加监听器，当监听的事件发生时，就会通知监听器
  • Future-Listener 机制
    • Future 对象刚创建时，处于非完成状态，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
    • 常见操作
      • isDone：判断是否完成
      • isSuccess：判断是否成功
      • getCause：获取当前操作失败原因
      • isCancelled：是否被取消
      • addListener：注册监听器，操作完成会通知指定的监听器，Future 对象已完成，则会通知指定的监听器
• 小结：相比传统阻塞 IO，异步处理不会造成线程阻塞，操作期间可以执行其他程序，高并发下会更稳定和更高的吞吐量