一文理解Netty模型架构

本文基于Netty4.1展开介绍相关理论模型,使用场景,基本组件、整体架构, 知其然且知其所以然
希望给读者提供学习实践参考。

1 Netty简介

一文理解Netty模型架构

Netty是 一个异步事件驱动的网络应用程序框架,用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。

JDK原生NIO程序的问题

JDK原生也有一套网络应用程序API,但是存在一系列问题,主要如下:

  • NIO的类库和API繁杂,使用麻烦,你需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等
  • 需要具备其它的额外技能做铺垫,例如熟悉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路编程非常熟悉,才能编写出高质量的NIO程序
  • 可靠性能力补齐,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、网络拥塞和异常码流的处理等等,NIO编程的特点是功能开发相对容易,但是可靠性能力补齐工作量和难度都非常大
  • 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%。官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题,但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在,只不过该bug发生概率降低了一些而已,它并没有被根本解决

Netty的特点

Netty的对JDK自带的NIO的API进行封装,解决上述问题,主要特点有:

  • 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
    真正的无连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

Netty常见使用常见

Netty常见的使用场景如下:

  • 互联网行业
    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/UDPHTTP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

有兴趣的读者可以了解一下目前有哪些开源项目使用了 Netty:Related projects

2 Netty高性能设计

Netty作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)可以用下图表示:

一文理解Netty模型架构

特点

  • 每个请求都需要独立的线程完成数据read,业务处理,数据write的完整操作

问题

  • 并发数较大时,需要创建大量线程来处理连接,系统资源占用较大
  • 连接建立后,如果当前线程暂时没有数据可读,则线程就阻塞在read操作上,造成线程资源浪费

I/O复用模型

一文理解Netty模型架构

在I/O复用模型中,会用到select,这个函数也会使进程阻塞,但是和阻塞I/O所不同的的,这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作,而且可以同时对多个读操作,多个写操作的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操作函数

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:

一文理解Netty模型架构

Netty的IO线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector,可以同时并发处理成百上千个客户端连接。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,该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作,所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

由于读写操作都是非阻塞的,这就可以充分提升IO线程的运行效率,避免由于频繁I/O阻塞导致的线程挂起,一个I/O线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作,这从根本上解决了传统同步阻塞I/O一连接一线程模型,架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

基于buffer

传统的I/O是面向字节流或字符流的,以流式的方式顺序地从一个Stream 中读取一个或多个字节, 因此也就不能随意改变读取指针的位置。

在NIO中, 抛弃了传统的 I/O流, 而是引入了Channel和Buffer的概念. 在NIO中, 只能从Channel中读取数据到Buffer中或将数据 Buffer 中写入到 Channel。

基于buffer操作不像传统IO的顺序操作, NIO 中可以随意地读取任意位置的数据

线程模型

数据报如何读取?读取之后的编解码在哪个线程进行,编解码后的消息如何派发,线程模型的不同,对性能的影响也非常大。

事件驱动模型

通常,我们设计一个事件处理模型的程序有两种思路

  • 轮询方式
    线程不断轮询访问相关事件发生源有没有发生事件,有发生事件就调用事件处理逻辑。
  • 事件驱动方式
    发生事件,主线程把事件放入事件队列,在另外线程不断循环消费事件列表中的事件,调用事件对应的处理逻辑处理事件。事件驱动方式也被称为消息通知方式,其实是设计模式观察者模式
    的思路。

以GUI的逻辑处理为例,说明两种逻辑的不同:

  • 轮询方式
    线程不断轮询是否发生按钮点击事件,如果发生,调用处理逻辑
  • 事件驱动方式
    发生点击事件把事件放入事件队列,在另外线程消费的事件列表中的事件,根据事件类型调用相关事件处理逻辑

这里借用O’Reilly 大神关于事件驱动模型解释图

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主要包括4个基本组件:

  • 事件队列(event queue):接收事件的入口,存储待处理事件
  • 分发器(event mediator):将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元
  • 事件通道(event channel):分发器与处理器之间的联系渠道
  • 事件处理器(event processor):实现业务逻辑,处理完成后会发出事件,触发下一步操作

可以看出,相对传统轮询模式,事件驱动有如下优点:

  • 可扩展性好,分布式的异步架构,事件处理器之间高度解耦,可以方便扩展事件处理逻辑
  • 高性能,基于队列暂存事件,能方便并行异步处理事件

Reactor线程模型

Reactor是反应堆的意思,Reactor模型,是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的 事件驱动处理模式
。 服务端程序处理传入多路请求,并将它们同步分派给请求对应的处理线程,Reactor模式也叫Dispatcher模式,即I/O多了复用统一监听事件,收到事件后分发(Dispatch给某进程),是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

Reactor模型中有2个关键组成:

  • 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

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取决于Reactor的数量和Hanndler线程数量的不同,Reactor模型有3个变种

  • 单Reactor单线程
  • 单Reactor多线程
  • 主从Reactor多线程

可以这样理解,Reactor就是一个执行while (true) { selector.select(); …}循环的线程,会源源不断的产生新的事件,称作反应堆很贴切。

篇幅关系,这里不再具体展开Reactor特性、优缺点比较,有兴趣的读者可以参考我之前另外一篇文章:《理解高性能网络模型》

Netty线程模型

Netty主要 基于主从Reactors多线程模型
(如下图)做了一定的修改,其中主从Reactor多线程模型有多个Reactor:MainReactor和SubReactor:

  • MainReactor负责客户端的连接请求,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

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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,但是实际实现上,SubReactor和Worker线程在同一个线程池中:

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();
server.group(bossGroup, workerGroup)
 .channel(NioServerSocketChannel.class)
复制代码

上面代码中的bossGroup 和workerGroup是Bootstrap构造方法中传入的两个对象,这两个group均是线程池

  • bossGroup线程池则只是在bind某个端口后,获得其中一个线程作为MainReactor,专门处理端口的accept事件, 每个端口对应一个boss线程
  • workerGroup线程池会被各个SubReactor和worker线程充分利用

异步处理

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。

Netty中的I/O操作是异步的,包括bind、write、connect等操作会简单的返回一个ChannelFuture,调用者并不能立刻获得结果,通过Future-Listener机制,用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得IO操作结果。

当future对象刚刚创建时,处于非完成状态,调用者可以通过返回的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,常见有如下操作:

  • 通过isDone方法来判断当前操作是否完成
  • 通过isSuccess方法来判断已完成的当前操作是否成功
  • 通过getCause方法来获取已完成的当前操作失败的原因
  • 通过isCancelled方法来判断已完成的当前操作是否被取消
  • 通过addListener方法来注册监听器,当操作已完成(isDone方法返回完成),将会通知指定的监听器;如果future对象已完成,则理解通知指定的监听器

例如下面的的代码中绑定端口是异步操作,当绑定操作处理完,将会调用相应的监听器处理逻辑

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
        if (future.isSuccess()) {
            System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
        } else {
            System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
        }
    });
复制代码

相比传统阻塞I/O,执行I/O操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成;异步处理的好处是不会造成线程阻塞,线程在I/O操作期间可以执行别的程序,在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量。

3 Netty架构设计

前面介绍完Netty相关一些理论介绍,下面从功能特性、模块组件、运作过程来介绍Netty的架构设计

功能特性

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  • 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。
    还支持通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、通用通信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应用通常由一个Bootstrap开始,主要作用是配置整个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中所有的IO操作都是异步的,不能立刻得知消息是否被正确处理,但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听,具体的实现就是通过Future和ChannelFutures,他们可以注册一个监听,当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

Channel

Netty网络通信的组件,能够用于执行网络I/O操作。
Channel为用户提供:

  • 当前网络连接的通道的状态(例如是否打开?是否已连接?)
  • 网络连接的配置参数 (例如接收缓冲区大小)
  • 提供异步的网络I/O操作(如建立连接,读写,绑定端口),异步调用意味着任何I / O调用都将立即返回,并且不保证在调用结束时所请求的I / O操作已完成。调用立即返回一个ChannelFuture实例,通过注册监听器到ChannelFuture上,可以I / O操作成功、失败或取消时回调通知调用方。
  • 支持关联I/O操作与对应的处理程序

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应,下面是一些常用的 Channel 类型

  • NioSocketChannel,异步的客户端 TCP Socket 连接
  • NioServerSocketChannel,异步的服务器端 TCP Socket 连接
  • NioDatagramChannel,异步的 UDP 连接
  • NioSctpChannel,异步的客户端 Sctp 连接
  • NioSctpServerChannel,异步的 Sctp 服务器端连接
    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,通过 Selector, 一个线程可以监听多个连接的Channel事件, 当向一个Selector中注册Channel 后,Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(select) 这些注册的Channel是否有已就绪的I/O事件(例如可读, 可写, 网络连接完成等),这样程序就可以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,则表示允许非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,可以理解为一个线程池,内部维护了一组线程,每个线程(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操作,并将其转发到其ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler本身并没有提供很多方法,因为这个接口有许多的方法需要实现,方便使用期间,可以继承它的子类:

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

或者使用以下适配器类:

  • ChannelInboundHandlerAdapter用于处理入站I / O事件
  • ChannelOutboundHandlerAdapter用于处理出站I / O操作
  • ChannelDuplexHandler用于处理入站和出站事件

ChannelHandlerContext

保存Channel相关的所有上下文信息,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作。 ChannelPipeline实现了一种高级形式的拦截过滤器模式,使用户可以完全控制事件的处理方式,以及Channel中各个的ChannelHandler如何相互交互。

下图引用Netty的Javadoc4.1中ChannelPipline的说明,描述了ChannelPipeline中ChannelHandler通常如何处理I/O事件。 I/O事件由ChannelInboundHandler或ChannelOutboundHandler处理,并通过调用ChannelHandlerContext中定义的事件传播方法(例如ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)和ChannelOutboundInvoker.write(Object))转发到其最近的处理程序。

I/O Request
                                            via Channel or
                                        ChannelHandlerContext
                                                      |
  +---------------------------------------------------+---------------+
  |                           ChannelPipeline         |               |
  |                                                  /|/              |
  |    +---------------------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  N  |            | Outbound Handler  1  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|/                                  |               |
  |               |                                  /|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler N-1 |            | Outbound Handler  2  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|/                                  .               |
  |               .                                   .               |
  | ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() ChannelHandlerContext.OUT_EVT()|
  |        [ method call]                       [method call]         |
  |               .                                   .               |
  |               .                                  /|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  2  |            | Outbound Handler M-1 |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|/                                  |               |
  |               |                                  /|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  1  |            | Outbound Handler  M  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|/                                  |               |
  +---------------+-----------------------------------+---------------+
                  |                                  /|/
  +---------------+-----------------------------------+---------------+
  |               |                                   |               |
  |       [ Socket.read() ]                    [ Socket.write() ]     |
  |                                                                   |
  |  Netty Internal I/O Threads (Transport Implementation)            |
  +-------------------------------------------------------------------+
复制代码

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理,如图左侧所示。 入站Handler处理程序通常处理由图底部的I / O线程生成的入站数据。 通常通过实际输入操作(例如SocketChannel.read(ByteBuffer))从远程读取入站数据。

出站事件由上下方向处理,如图右侧所示。 出站Handler处理程序通常会生成或转换出站传输,例如write请求。 I/O线程通常执行实际的输出操作,例如SocketChannel.write(ByteBuffer)。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应, 它们的组成关系如下:

一文理解Netty模型架构

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline, 而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表, 并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。入站事件和出站事件在一个双向链表中,入站事件会从链表head往后传递到最后一个入站的handler,出站事件会从链表tail往前传递到最前一个出站的handler,两种类型的handler互不干扰。

工作原理架构

初始化并启动Netty服务端过程如下:

public static void main(String[] args) {
        // 创建mainReactor
        NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
        // 创建工作线程组
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap 
                 // 组装NioEventLoopGroup 
                .group(boosGroup, workerGroup)
                 // 设置channel类型为NIO类型
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                // 设置连接配置参数
                .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(...);
                    }
    });

        // 绑定端口
        int port = 8080;
        serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
            if (future.isSuccess()) {
                System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
            } else {
                System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
            }
        });
}
复制代码
  • 基本过程如下:
  • 1 初始化创建2个NioEventLoopGroup,其中boosGroup用于Accetpt连接建立事件并分发请求,
    workerGroup用于处理I/O读写事件和业务逻辑
  • 2 基于ServerBootstrap(服务端启动引导类),配置EventLoopGroup、Channel类型,连接参数、配置入站、出站事件handler
  • 3 绑定端口,开始工作

结合上面的介绍的Netty Reactor模型,介绍服务端Netty的工作架构图:

一文理解Netty模型架构

server端包含1个Boss NioEventLoopGroup和1个Worker NioEventLoopGroup,NioEventLoopGroup相当于1个事件循环组,这个组里包含多个事件循环NioEventLoop,每个NioEventLoop包含1个selector和1个事件循环线程。

每个Boss NioEventLoop循环执行的任务包含3步:

  • 1 轮询accept事件
  • 2 处理accept I/O事件,与Client建立连接,生成NioSocketChannel,并将NioSocketChannel注册到某个Worker NioEventLoop的Selector上
    *3 处理任务队列中的任务,runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用eventloop.execute或schedule执行的任务,或者其它线程提交到该eventloop的任务。

每个Worker NioEventLoop循环执行的任务包含3步:

  • 1 轮询read、write事件;
  • 2 处I/O事件,即read、write事件,在NioSocketChannel可读、可写事件发生时进行处理
  • 3 处理任务队列中的任务,runAllTasks。

其中任务队列中的task有3种典型使用场景

  • 1 用户程序自定义的普通任务
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        //...
    }
});
复制代码
  • 2 非当前reactor线程调用channel的各种方法
    例如在推送系统的业务线程里面,根据用户的标识,找到对应的channel引用,然后调用write类方法向该用户推送消息,就会进入到这种场景。最终的write会提交到任务队列中后被异步消费。

  • 3 用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {

    }
}, 60, TimeUnit.SECONDS);
复制代码

4 总结

现在稳定推荐使用的主流版本还是Netty4,Netty5 中使用了 ForkJoinPool,增加了代码的复杂度,但是对性能的改善却不明显,所以这个版本不推荐使用,官网也没有提供下载链接。

Netty 入门门槛相对较高,其实是因为这方面的资料较少,并不是因为他有多难,大家其实都可以像搞透 Spring 一样搞透 Netty。在学习之前,建议先理解透整个框架原理结构,运行过程,可以少走很多弯路。

原文 

https://juejin.im/post/5bda4cc55188257f630dac07

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