对Netty的一些理解

Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，它提供了对TCP、UDP和文件传输的支持。做为当前最流行的NIO框架，Netty在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通讯行业等得到了普遍的应用，一些业界著名的开源组件也是基于Netty的NIO框架构建。

Netty 利用 Java 高级网络的能力，隐藏其背后的复杂性而提供一个易于使用的 API 构建一个客户端/服务端，其具备高并发、传输快、封装好等特色。

高并发
Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通讯框架，对比于BIO（Blocking I/O，阻塞IO），它的并发性能获得了很大提升 。

传输快
Netty的传输快其实也是依赖了NIO的一个特性——零拷贝。

封装好
Netty封装了NIO操做的不少细节，提供易于使用的API，还有心跳、重连机制、拆包粘包方案等特性，使开发者能可以快速高效的构建一个稳健的高并发应用。

为何要用 Netty ？

JDK 原生 NIO 程序的问题

JDK 原生也有一套网络应用程序 API，可是存在一系列问题，主要以下：

• NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦。你须要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
• 须要具有其余的额外技能作铺垫。例如熟悉 Java 多线程编程，由于 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网路编程很是熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
• 可靠性能力补齐，开发工做量和难度都很是大。例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处理等等。NIO 编程的特色是功能开发相对容易，可是可靠性能力补齐工做量和难度都很是大。
• JDK NIO 的 Bug。例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会致使 Selector 空轮询，最终致使 CPU 100%。 官方声称在 JDK 1.6 版本的 update 18 修复了该问题，可是直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，只不过该 Bug 发生几率下降了一些而已，它并无被根本解决。

Netty 的特色

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

• 设计优雅，适用于各类传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，能够清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池；真正的无链接数据报套接字支持（自 3.1 起）。
• 使用方便，详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其余依赖项，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；减小资源消耗；最小化没必要要的内存复制。

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 能够被及时修复，同时，更多的新功能会被加入。

Netty 内部执行流程

服务端：

• 建立ServerBootStrap实例
• 设置并绑定Reactor线程池：EventLoopGroup，EventLoop就是处理全部注册到本线程的Selector上面的Channel
• 设置并绑定服务端的Channel
• 建立处理网络事件的ChannelPipeline和handler，网络时间以流的形式在其中流转，handler完成多数的功能定制：好比编解码 SSl安全认证
• 绑定并启动监听端口
• 当轮训到准备就绪的channel后，由Reactor线程：NioEventLoop执行pipline中的方法，最终调度并执行channelHandler

客户端：

Netty 架构设计

主要功能特性以下图：

Netty 功能特性以下：

• 传输服务，支持 BIO 和 NIO。
• 容器集成，支持 OSGI、JBossMC、Spring、Guice 容器。
• 协议支持，HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket 等一系列常见协议都支持。还支持经过实行编码解码逻辑来实现自定义协议。
• Core 核心，可扩展事件模型、通用通讯 API、支持零拷贝的 ByteBuf 缓冲对象。

模块组件

Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用一般由一个 Bootstrap 开始，主要做用是配置整个 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 中全部的 IO 操做都是异步的，不能马上得知消息是否被正确处理。

可是能够过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是经过 Future 和 ChannelFutures，它们能够注册一个监听，当操做执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

Channel

Netty 网络通讯的组件，可以用于执行网络 I/O 操做。
Channel 为用户提供：

• 当前网络链接的通道的状态（例如是否打开？是否已链接？）
• 网络链接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
• 提供异步的网络 I/O 操做(如创建链接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将当即返回，而且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操做已完成。调用当即返回一个 ChannelFuture 实例，经过注册监听器到 ChannelFuture 上，能够在 I/O 操做成功、失败或取消时回调通知调用方。
• 支持关联 I/O 操做与对应的处理程序。

不一样协议、不一样的阻塞类型的链接都有不一样的 Channel 类型与之对应。下面是一些经常使用的 Channel 类型：

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 链接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 链接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 链接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 链接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端链接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，经过 Selector 一个线程能够监听多个链接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就能够自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络链接完成等），这样程序就能够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：

• I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。
• 非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制，默认为 50，则表示容许非 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，能够理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每一个线程(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 操做，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 自己并无提供不少方法，由于这个接口有许多的方法须要实现，方便使用期间，能够继承它的子类：

• ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操做。

或者使用如下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操做。
• ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。
• ChannelHandlerContext 保存 Channel 相关的全部上下文信息，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做。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户能够彻底控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

Netty 高性能设计

Netty 做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)能够用下图表示：

特色以及缺点以下：

• 每一个请求都须要独立的线程完成数据 Read，业务处理，数据 Write 的完整操做问题。
• 当并发数较大时，须要建立大量线程来处理链接，系统资源占用较大。
• 链接创建后，若是当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操做上，形成线程资源浪费。

I/O 复用模型

在 I/O 复用模型中，会用到 Select，这个函数也会使进程阻塞，可是和阻塞 I/O 所不一样的是这个函数能够同时阻塞多个 I/O 操做。

并且能够同时对多个读操做，多个写操做的 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 操做函数。

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：

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 因为聚合了多路复用器 Selector，能够同时并发处理成百上千个客户端链接。

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，该线程能够进行其余任务。

线程一般将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其余通道上执行 IO 操做，因此单独的线程能够管理多个输入和输出通道。

因为读写操做都是非阻塞的，这就能够充分提高 IO 线程的运行效率，避免因为频繁 I/O 阻塞致使的线程挂起。

一个 I/O 线程能够并发处理 N 个客户端链接和读写操做，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O 一链接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都获得了极大的提高。

Netty 线程模型

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（以下图）作了必定的修改，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor：

MainReactor 负责客户端的链接请求，并将请求转交给 SubReactor。
SubReactor 负责相应通道的 IO 读写请求。
非 IO 请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待 worker threads 进行处理。
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：

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。可是实际实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中。

Netty 的零拷贝

是在发送数据的时候，传统的实现方式是：

File.read(bytes);
Socket.send(bytes);

这种方式须要四次数据拷贝和四次上下文切换：

• 数据从磁盘读取到内核的read buffer
• 数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
• 数据从用户缓冲区拷贝到内核的socket buffer
• 数据从内核的socket buffer拷贝到网卡接口（硬件）的缓冲区

零拷贝的概念

明显上面的第二步和第三步是没有必要的，经过java的FileChannel.transferTo方法，能够避免上面两次多余的拷贝（固然这须要底层操做系统支持）

• 调用transferTo,数据从文件由DMA引擎拷贝到内核read buffer
• 接着DMA从内核read buffer将数据拷贝到网卡接口buffer

上面的两次操做都不须要CPU参与，因此就达到了零拷贝。

Netty中的零拷贝主要体如今三个方面：

• bytebuffer

Netty发送和接收消息主要使用 bytebuffer， bytebuffer使用对外内存（ DirectMemory）直接进行 Socket读写。

缘由：若是使用传统的堆内存进行Socket读写，JVM会将堆内存buffer拷贝一份到直接内存中而后再写入socket，多了一次缓冲区的内存拷贝。DirectMemory中能够直接经过DMA发送到网卡接口。

• Composite Buffers

传统的 ByteBuffer，若是须要将两个 ByteBuffer中的数据组合到一块儿，咱们须要首先建立一个 size=size1+size2大小的新的数组，而后将两个数组中的数据拷贝到新的数组中。
可是使用 Netty提供的组合 ByteBuf，就能够避免这样的操做，由于 CompositeByteBuf并无真正将多个 Buffer组合起来，而是保存了它们的引用，从而避免了数据的拷贝，实现了零拷贝。

• 对于FileChannel.transferTo的使用

Netty中使用了 FileChannel的transferTo方法，该方法依赖于操做系统实现零拷贝。

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