彻底理解Netty,这一篇文章就够了

Netty到底是什么

从HTTP说起

有了Netty,你可以实现自己的HTTP服务器FTP服务器,UDP服务器,RPC服务器,WebSocket服务器,Redis的Proxy服务器,MySQL的Proxy服务器等等。

我们回顾一下传统的HTTP服务器的原理

1、创建一个ServerSocket,监听并绑定一个端口

2、一系列客户端来请求这个端口

3、服务器使用Accept,获得一个来自客户端的Socket连接对象

4、启动一个新线程处理连接

4.1、读Socket,得到字节流

4.2、解码协议,得到Http请求对象

4.3、处理Http请求,得到一个结果,封装成一个HttpResponse对象

4.4、编码协议,将结果序列化字节流 写Socket,将字节流发给客户端

5、继续循环步骤3

HTTP服务器之所以称为HTTP服务器,是因为编码解码协议是HTTP协议,如果协议是Redis协议,那它就成了Redis服务器,如果协议是WebSocket,那它就成了WebSocket服务器,等等。 使用Netty你就可以定制编解码协议,实现自己的特定协议的服务器。

NIO

上面是一个传统处理http的服务器,但是在高并发的环境下,线程数量会比较多,System load也会比较高,于是就有了NIO

他并不是Java独有的概念,NIO代表的一个词汇叫着IO多路复用。它是由操作系统提供的系统调用,早期这个操作系统调用的名字是select,但是性能低下,后来渐渐演化成了Linux下的epoll和Mac里的kqueue。我们一般就说是epoll,因为没有人拿苹果电脑作为服务器使用对外提供服务。而Netty就是基于Java NIO技术封装的一套框架。为什么要封装,因为原生的Java NIO使用起来没那么方便,而且还有臭名昭著的bug,Netty把它封装之后,提供了一个易于操作的使用模式和接口,用户使用起来也就便捷多了。

说NIO之前先说一下BIO(Blocking IO),如何理解这个Blocking呢?

  1. 客户端监听(Listen)时,Accept是阻塞的,只有新连接来了,Accept才会返回,主线程才能继
  2. 读写socket时,Read是阻塞的,只有请求消息来了,Read才能返回,子线程才能继续处理
  3. 读写socket时,Write是阻塞的,只有客户端把消息收了,Write才能返回,子线程才能继续读取下一个请求

传统的BIO模式下,从头到尾的所有线程都是阻塞的,这些线程就干等着,占用系统的资源,什么事也不干。

那么NIO是怎么做到非阻塞的呢。它用的是事件机制。它可以用一个线程把Accept,读写操作,请求处理的逻辑全干了。如果什么事都没得做,它也不会死循环,它会将线程休眠起来,直到下一个事件来了再继续干活,这样的一个线程称之为NIO线程。用伪代码表示:

while true {
    events = takeEvents(fds)  // 获取事件,如果没有事件,线程就休眠
    for event in events {
        if event.isAcceptable {
            doAccept() // 新链接来了
        } elif event.isReadable {
            request = doRead() // 读消息
            if request.isComplete() {
                doProcess()
            }
        } elif event.isWriteable {
            doWrite()  // 写消息
        }
    }
}复制代码

Reactor线程模型

Reactor单线程模型

一个NIO线程+一个accept线程:

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Reactor多线程模型

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Reactor主从模型

主从Reactor多线程:多个acceptor的NIO线程池用于接受客户端的连接

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Netty可以基于如上三种模型进行灵活的配置

总结

Netty是建立在NIO基础之上,Netty在NIO之上又提供了更高层次的抽象。

在Netty里面,Accept连接可以使用单独的线程池去处理,读写操作又是另外的线程池来处理。

Accept连接和读写操作也可以使用同一个线程池来进行处理。而请求处理逻辑既可以使用单独的线程池进行处理,也可以跟放在读写线程一块处理。线程池中的每一个线程都是NIO线程。用户可以根据实际情况进行组装,构造出满足系统需求的高性能并发模型。

为什么选择Netty

如果不用netty,使用原生JDK的话,有如下问题:

1、API复杂

2、对多线程很熟悉:因为NIO涉及到Reactor模式

3、高可用的话:需要出路断连重连、半包读写、失败缓存等问题

4、JDK NIO的bug

而Netty来说,他的api简单、性能高而且社区活跃(dubbo、rocketmq等都使用了它)

什么是TCP 粘包/拆包

现象

先看如下代码,这个代码是使用netty在client端重复写100次数据给server端,ByteBuf是netty的一个字节容器,里面存放是的需要发送的数据

public class FirstClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {    
    @Override    
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {       
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {            
            ByteBuf buffer = getByteBuf(ctx);            
            ctx.channel().writeAndFlush(buffer);        
        }    
    }    
    private ByteBuf getByteBuf(ChannelHandlerContext ctx) {        
        byte[] bytes = "你好,我的名字是1234567!".getBytes(Charset.forName("utf-8"));        
        ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();        
        buffer.writeBytes(bytes);        
        return buffer;    
    }
}复制代码

从client端读取到的数据为:

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服务端的控制台输出可以看出,存在三种类型的输出

  1. 一种是正常的字符串输出。
  2. 一种是多个字符串“粘”在了一起,我们定义这种 ByteBuf 为粘包。
  3. 一种是一个字符串被“拆”开,形成一个破碎的包,我们定义这种 ByteBuf 为半包。

透过现象分析原因

应用层面使用了Netty,但是对于操作系统来说,只认TCP协议,尽管我们的应用层是按照 ByteBuf 为 单位来发送数据,server按照Bytebuf读取,但是到了底层操作系统仍然是按照字节流发送数据,因此,数据到了服务端,也是按照字节流的方式读入,然后到了 Netty 应用层面,重新拼装成 ByteBuf,而这里的 ByteBuf 与客户端按顺序发送的 ByteBuf 可能是不对等的。因此,我们需要在客户端根据自定义协议来组装我们应用层的数据包,然后在服务端根据我们的应用层的协议来组装数据包,这个过程通常在服务端称为拆包,而在客户端称为粘包。

拆包和粘包是相对的,一端粘了包,另外一端就需要将粘过的包拆开,发送端将三个数据包粘成两个 TCP 数据包发送到接收端,接收端就需要根据应用协议将两个数据包重新组装成三个数据包。

如何解决

在没有 Netty 的情况下,用户如果自己需要拆包,基本原理就是不断从 TCP 缓冲区中读取数据,每次读取完都需要判断是否是一个完整的数据包 如果当前读取的数据不足以拼接成一个完整的业务数据包,那就保留该数据,继续从 TCP 缓冲区中读取,直到得到一个完整的数据包。 如果当前读到的数据加上已经读取的数据足够拼接成一个数据包,那就将已经读取的数据拼接上本次读取的数据,构成一个完整的业务数据包传递到业务逻辑,多余的数据仍然保留,以便和下次读到的数据尝试拼接。

而在Netty中,已经造好了许多类型的拆包器,我们直接用就好:

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选好拆包器后,在代码中client段和server端将拆包器加入到chanelPipeline之中就好了:

如上实例中:

客户端:

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(31));复制代码

服务端:

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(31));复制代码

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Netty 的零拷贝

传统意义的拷贝

是在发送数据的时候,传统的实现方式是:

1. `File.read(bytes)`

2. `Socket.send(bytes)`

这种方式需要四次数据拷贝和四次上下文切换:

1. 数据从磁盘读取到内核的read buffer

2. 数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区

3. 数据从用户缓冲区拷贝到内核的socket buffer

4. 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,通过java的FileChannel.transferTo方法,可以避免上面两次多余的拷贝(当然这需要底层操作系统支持)

1. 调用transferTo,数据从文件由DMA引擎拷贝到内核read buffer

2. 接着DMA从内核read buffer将数据拷贝到网卡接口buffer

上面的两次操作都不需要CPU参与,所以就达到了零拷贝。

Netty中的零拷贝

主要体现在三个方面:

1、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。

原因:如果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然后再写入socket,多了一次缓冲区的内存拷贝。DirectMemory中可以直接通过DMA发送到网卡接口

2、Composite Buffers

传统的ByteBuffer,如果需要将两个ByteBuffer中的数据组合到一起,我们需要首先创建一个size=size1+size2大小的新的数组,然后将两个数组中的数据拷贝到新的数组中。但是使用Netty提供的组合ByteBuf,就可以避免这样的操作,因为CompositeByteBuf并没有真正将多个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。

3、对于FileChannel.transferTo的使用

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

Netty 内部执行流程

服务端:

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1、创建ServerBootStrap实例

2、设置并绑定Reactor线程池:EventLoopGroup,EventLoop就是处理所有注册到本线程的Selector上面的Channel

3、设置并绑定服务端的channel

4、5、创建处理网络事件的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:比如编解码 SSl安全认证

6、绑定并启动监听端口

7、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

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总结

以上就是我对Netty相关知识整理,如果有不同的见解,欢迎讨论!

原文 

https://juejin.im/post/5bdaf8ea6fb9a0227b02275a

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