Netty 是如何支撑高性能网络通讯的？

前言

做为一个高性能的 NIO 通讯框架，Netty 被普遍应用于大数据处理、互联网消息中间件、游戏和金融行业等。大多数应用场景对底层的通讯框架都有很高的性能要求，做为综合性能最高的 NIO 框架之一，Netty 能够彻底知足不一样领域对高性能通讯的需求。本文咱们将从架构层对 Netty 的高性能设计和关键代码实现进行剖析，看 Netty 是如何支撑高性能网络通讯的。react

RPC 调用性能模型分析

传统 RPC 调用性能差的缘由

1.网络传输方式问题编程

传统的 RPC 框架或者基于 RMI 等方式的远程过程调用采用了同步阻塞 I/O，当客户端的并发压力或者网络时延增大以后，同步阻塞 I/O 会因为频繁的 wait 致使 I/O 线程常常性的阻塞，因为线程没法高效的工做，I/O 处理能力天然降低。bootstrap

采用 BIO 通讯模型的服务端，一般由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的链接，接收到客户端链接以后，为其建立一个新的线程处理请求消息，处理完成以后，返回应答消息给客户端，线程销毁，这就是典型的 “ 一请求，一应答 ” 模型。该架构最大的问题就是不具有弹性伸缩能力，当并发访问量增长后，服务端的线程个数和并发访问数成线性正比，因为线程是 Java 虛拟机很是宝贵的系统资源，当线程数膨胀以后，系统的性能急剧降低，随着并发量的继续增长，可能会发生句柄溢出、线程堆栈溢出等问题，并致使服务器最终宕机。安全

2.序列化性能差服务器

Java 序列化存在以下几个典型问题：网络

1.Java 序列化机制是 Java 内部的一种对象编解码技术，没法跨语言使用。例如对于异构系统之间的对接，Java 序列化后的码流须要可以经过其余语言反序列化成原始对象，这很难支持。2.相比于其余开源的序列化框架，Java 序列化后的码流太大，不管是网络传输仍是持久化到磁盘，都会致使额外的资源占用。3.序列化性能差，资源占用率高 ( 主要是 CPU 资源占用高 )。多线程

3.线程模型问题架构

因为采用同步阻塞 I/O，这会致使每一个 TCP 链接都占用 1 个线程，因为线程资源是 JVM 虚拟机很是宝贵的资源，当 I/O 读写阻塞致使线程没法及时释放时，会致使系统性能急剧降低，严重的甚至会致使虚拟机没法建立新的线程。并发

4.IO 通讯性能三原则框架

尽管影响 I/O 通讯性能的因素很是多，可是从架构层面看主要有三个要素。

1.传输：用什么样的通道将数据发送给对方。能够选择 BIO、NIO 或者 AIO，I/O 模型在很大程度上决定了通讯的性能；2.协议：采用什么样的通讯协议，HTTP 等公有协议或者内部私有协议。协议的选择不一样，性能也不一样。相比于公有协议，内部私有协议的性能一般能够被设计得更优；3.线程模型：数据报如何读取？读取以后的编解码在哪一个线程进行，编解码后的消息如何派发，Reactor 线程模型的不一样，对性能的影响也很是大。

5.异步非阻塞通讯

在 I/O 编程过程当中，当须要同时处理多个客户端接入请求时，能够利用多线程或者 I/O 多路复用技术进行处理。I/O 多路复用技术经过把多个 I/O 的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上，从而使得系统在单线程的状况下能够同时处理多个客户端请求。与传统的多线程 / 多进程模型比，I/O 多路复用的最大优点是系统开销小，系统不须要建立新的额外进程或者线程，也不须要维护这些进程和线程的运行，下降了系统的维护工做量，节省了系统资源。

JDK1.4 提供了对非阻塞 I/O 的支持，JDK1.5 使用 epoll 替代了传统的 select / poll，极大地提高了 NIO 通讯的性能。

与 Socket 和 ServerSocket 类相对应，NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不一样的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用很是简单，可是性能和可靠性都很差，非阻塞模式则正好相反。开发人员通常能够根据本身的须要来选择合适的模式，通常来讲，低负载、低并发的应用程序能够选择同步阻塞 I/O 以下降编程复杂度。可是对于高负载、高并发的网络应用，须要使用 NIO 的非阻塞模式进行开发。

Netty 的 I/O 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 SocketChannel。因为读写操做都是非阻塞的，这就能够充分提高 I/O 线程的运行效率，避免由频繁的 I/O 阻塞致使的线程挂起。另外，因为 Netty 采用了异步通讯模式，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。

高效的 Reactor 线程模型

经常使用的 Reactor 线程模型有三种，分别以下：

1.Reactor 单线程模型；2.Reactor 多线程模型；3.主从 Reactor 多线程模型。

Reactor 单线程模型，指的是全部的 I/O 操做都在同一个 NIO 线程上面完成，NIO 线程的职责以下：

1.做为 NIO 服务端，接收客户端的 TCP 链接；2.做为 NIO 客户端，向服务端发起 TCP 链接；3.读取通讯对端的请求或者应答消息；4.向通讯对端发送消息请求或者应答消息。

因为 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 I/O，全部的 I/O 操做都不会致使阻塞，理论上一个线程能够独立处理全部 I/O 相关的操做。从架构层面看，一个 NIO 线程确实能够完成其承担的职责。例如，经过 Acceptor 接收客户端的 TCP 链接请求消息，链路创建成功以后，经过 Dispatch 将对应的 ByteBuffer 派发到指定的 Handler 上进行消息解码。用户 Handler 能够经过 NIO 线程将消息发送给客户端。

对于一些小容量应用场景，可使用单线程模型，可是对于高负载、大并发的应用却不合适，主要缘由以下。

1.一个 NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上没法支撑。即使 NIO 线程的 CPU 负荷达到 100%，也没法知足海量消息的编码，解码、读取和发送；2.当 NIO 线程负载太重以后，处理速度将变慢，这会致使大量客户端链接超时，超时以后每每会进行重发，这更加剧了 NIO 线程的负载，最终会致使大量消息积压和处理超时，NIO 线程会成为系统的性能瓶颈；3.可靠性问题。一旦 NIO 线程意外跑飞，或者进入死循环，会致使整个系统通讯模块不可用，不能接收和处理外部消息，形成节点故障。

为了解决这些问题，演进出了 Reactor 多线程模型，下面咱们看一下 Reactor 多线程模型。

Rector 多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组 NIO 线程处理 I/O 操做，它的特色以下。

1.有一个专门的 NIO 线程 —— Acceptor 线程用于监听服务端口，接收客户端的 TCP 链接请求；2.网络 IO 操做 —— 读、写等由一个 NIO 线程池负责，线程池能够采用标准的 JDK 线程池实现，它包含一个任务队列和 N 个可用的线程，由这些 NIO 线程负责消息的读取、解码、编码和发送；3.1 个 NIO 线程能够同时处理 N 条链路，可是 1 个链路只对应 1 个 NIO 线程，以防止发生并发操做问题。

在绝大多数场景下，Reactor 多线程模型均可以知足性能需求，可是，在极特殊应用场景中，一个 NIO 线程负责监听和处理全部的客户端链接可能会存在性能问题。例如百万客户端并发链接，或者服务端须要对客户端的握手消息进行安全认证，认证自己很是损耗性能。在这类场景下，单独一个 Acceptor 线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种 Reactor 线程模型 —— 主从 Reactor 多线程模型。

主从 Reactor 线程模型的特色是，服务端用于接收客户端链接的再也不是个单线程的链接处理 Acceptor，而是一个独立的 Acceptor 线程池。Acceptor 接收到客户端 TCP 链接请求处理完成后 ( 可能包含接入认证等 )，将新建立的 SocketChannel 注册到 I/O 处理线程池的某个 I/O 线程上，由它负责 SocketChannel 的读写和编解码工做。Acceptor 线程池只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路创建成功，就将链路注册到 I/O 处理线程池的 I/O 线程上，每一个 I/O 线程能够同时监听 N 个链路，对链路产生的 IO 事件进行相应的消息读取、解码、编码及消息发送等操做。

利用主从 Reactor 线程模型，能够解决 1 个 Acceptor 线程没法有效处理全部客户端链接的性能问题。所以，Netty 官方也推荐使用该线程模型。

事实上，Netty 的线程模型并不是固定不变，经过在启动辅助类中建立不一样的 EventLoopGroup 实例并进行适当的参数配置，就能够支持上述三种 Reactor 线程模型。能够根据业务场景的性能诉求，选择不一样的线程模型。

Netty 单线程模型服务端代码示例以下：

EventLoopGroup reactor = new NioEventLoopGroup(1);ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();    bootstrap.group(reactor, reactor)            .channel(NioServerSocketChannel.class)            ......

Netty 多线程模型代码示例以下：

EventLoopGroup acceptor = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(acceptor, ioGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class) 
  ......

Netty 主从多线程模型代码示例以下：

EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup();    EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();    bootstrap.group(acceptorGroup, ioGroup)            .channel(NioServerSocketChannel.class)            ......

无锁化的串行设计

在大多数场景下，并行多线程处理能够提高系统的并发性能。可是，若是对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会致使性能的降低。为了尽量地避免锁竞争带来的性能损耗，能够经过串行化设计，即消息的处理尽量在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。

为了尽量提高性能，Netty 对消息的处理采用了串行无锁化设计，在 I/O 线程内部进行串行操做，避免多线程竞争致使的性能降低。Netty 的串行化设计工做原理图以下图所示。

Netty 的 NioEventLoop 读取到消息以后，直接调用 ChannelPipeline 的 fireChannelRead(Object msg)，只要用户不主动切换线程，一直会由 NioEventLoop 调用到用户的 Handler，期间不进行线程切换。这种串行化处理方式避免了多线程操做致使的锁的竞争，从性能角度看是最优的。

零拷贝

Netty 的“ 零拷贝 ”主要体如今以下三个方面。

第一种状况。Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用堆外直接内存 (DIRECT BUFFERS) 进行 Socket 读写，不须要进行字节缓冲区的二次拷贝。若是使用传统的堆内存(HEAP BUFFERS) 进行 Socket 读写，JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接内存中，而后才写入 Socket。相比于堆外直接内存，消息在发送过程当中多了一次缓冲区的内存拷贝。

下面咱们继续看第二种“ 零拷贝 ” 的实现 CompositeByteBuf，它对外将多个 ByteBuf 封装成一个 ByteBuf，对外提供统一封装后的 ByteBuf 接口。CompositeByteBuf 实际就是个 ByteBuf 的装饰器，它将多个 ByteBuf 组合成一个集合，而后对外提供统一的 ByteBuf 接口，添加 ByteBuf，不须要作内存拷贝。

第三种 “ 零拷贝 ” 就是文件传输，Netty 文件传输类 DefaultFileRegion 经过 transferTo() 方法将文件发送到目标 Channel 中。不少操做系统直接将文件缓冲区的内容发送到目标 Channel 中，而不须要经过循环拷贝的方式，这是一种更加高效的传输方式，提高了传输性能，下降了 CPU 和内存占用，实现了文件传输的 “ 零拷贝 ” 。

内存池

随着 JVM 虚拟机和 JIT 即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个很是轻量级的工做。可是对于缓冲区 Buffer，状况却稍有不一样，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操做。为了尽可能重用缓冲区，Netty 提供了基于内存池的缓冲区重用机制。 ByteBuf 的子类中提供了多种 PooledByteBuf 的实现，基于这些实现 Netty 提供了多种内存管理策略，经过在启动辅助类中配置相关参数，能够实现差别化的定制。