网络编程-Netty编程-线程模型

你的名字 2022-08-31 01:55 156阅读 0赞

上一章我们主要讲了NIO编程，实际上直接使用nio编程，会有比较多的缺点，比如NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦，需要自己处理网络问题造成的断连重连以及阻塞造成一系列问题，导致开发工作量和难度都非常大，同时还有Epoll Bug，那么有什么优秀框架可以解决这些问题呢？那就是netty。

# 一、Netty 介绍 #

Netty 是由 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，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序。 Netty 是一个基于 NIO 的网络编程框架，使用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。 作为当前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏业、 通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

Netty 的强大之处：零拷贝、可拓展事件模型；支持 TCP、UDP、HTTP、WebSocket 等协议；提供安全传输、压缩、大文件传输、编解码支持等等。 具备如下优点:

*  设计优雅，提供阻塞和非阻塞的 Socket；提供灵活可拓展的事件模型；提供高度可定制的线程模型。
 *  具备更高的性能和更大的吞吐量，使用零拷贝技术最小化不必要的内存复制，减少资源的消耗。
 *  提供安全传输特性。
 *  支持多种主流协议；预置多种编解码功能，支持用户开发私有协议。

# 二、Netty线程模型 #

## 2.1 线程模型基本介绍 ##

对于服务器应用而言，无论是web应用服务还是DB服务，高并发请求始终是一个绕不开的话题当有大量请求并发访问时，一定伴随着资源的不断创建和释放，导致资源利用率低，降低了服务质量。基于线程如何使用和处理请求的设计，就是线程模型。不同的线程模式，对程序的性能有很大影响。目前存在的主流线程模型有传统阻塞 I/O 服务模型和Reactor 模型，根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现：

*  单 Reactor 单线程
 *  单 Reactor 多线程
 *  主从 Reactor 多线程

传统阻塞 I/O我们就不多介绍了，下面主要讲一下Reactor 模型。

## 2.2 Reactor 模型 ##

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 , 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它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), 这点就是网络服务器高并发处理关键。

### 2.2.1 Reactor 模型-单 Reactor 单线程 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

通过上图分析：

1.  Reactor 对象通过 Selector（Selector是可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求）监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
2.  然后建立连接请求事件，由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求
3.  创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
4.  Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

优点：

*  模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成。

缺点：

*  性能问题: 只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
 *  可靠性问题: 线程意外终止或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障

### 2.2.2 Reactor 模型-单 Reactor 多线程 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

通过上图分析：

1.  Reactor 对象通过 selector 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过 dispatch 进行分发
2.  如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过accept 处理连接请求
3.  如果不是连接请求，则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
4.  handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过 read 读取数据后，会分发给后面的worker 线程池的某个线程处理业务
5.  worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler
6.  handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client

优点：

*  可以充分的利用多核 cpu 的处理能力。

缺点：

*  多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行， 在  
    高并发场景容易出现性能瓶颈。

### 2.2.3 Reactor 模型-主从 Reactor 多线程 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

通过上图分析：

1.  Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听客户端连接事件，收到事件后，通过Acceptor 处理客户端连接事件
2.  当 Acceptor 处理完客户端连接事件之后（与客户端建立好 Socket 连接），MainReactor 将连接分配给 SubReactor。（即：MainReactor 只负责监听客户端连接请求，和客户端建立连接之后将连接交由 SubReactor 监听后面的 IO 事件。)SubReactor 将连接加入到自己的连接队列进行监听，并创建 Handler 对各种事件进行处理
3.  当连接上有新事件发生的时候，SubReactor 就会调用对应的 Handler 处理
4.  Handler 通过 read 从连接上读取请求数据，将请求数据分发给 Worker 线程池进行业务处理
5.  Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理，并将处理结果返回给 Handler。
6.  Handler 通过 send 向客户端发送响应数据
7.  一个 MainReactor 可以对应多个 SubReactor，即一个 MainReactor 线程可以对应多个SubReactor 线程

优点：

*  MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单职责明确，MainReactor 线程只需要  
    接收新连接，SubReactor 线程完成后续的业务处理
 *  MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单， MainReactor 线程只需要把新连接  
    传给 SubReactor 线程，SubReactor 线程无需返回数据
 *  多个 SubReactor 线程能够应对更高的并发请求

缺点：

*  这种模式的缺点是编程复杂度较高。但是由于其优点明显，在许多项目中被广泛使用，包括  
    Nginx、Memcached、Netty 等。这种模式也被叫做服务器的 1+M+N 线程模式，即使用该模式开发的服务器包含一个（或多个，1 只是表示相对较少）连接建立线程+M 个 IO 线程+N 个业务处理线程。这是业界成熟的服务器程序设计模式。

## 2.3 Netty线程模型 ##

Netty 的设计主要基于主从 Reactor 多线程模式，并做了一定的改进。为了便于理解，下面我们一步步从简易版到复杂版讲解。

### 2.3.1 简单版Netty模型 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

1.  BossGroup 线程维护 Selector，ServerSocketChannel 注册到这个 Selector 上，只关注连接建立请求事件（主 Reactor）
2.  当接收到来自客户端的连接建立请求事件的时候，通过 ServerSocketChannel.accept 方法获得对应的 SocketChannel，并封装成 NioSocketChannel 注册到 WorkerGroup 线程中的Selector，每个 Selector 运行在一个线程中（从 Reactor）
3.  当 WorkerGroup 线程中的 Selector 监听到自己感兴趣的 IO 事件后，就调用 Handler 进行处理

我们知道Reactor 模型分为了主Reactor，从 Reactor以及worker线程池，和我们上面图分的三部分一一对应。

### 2.3.2 进阶版Netty模型 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

从上面图我们发现有两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。同时BossGroup 和WorkerGroup 含有多个不断循环的执行事件处理的线程，每个线程都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Channel。

每个 BossGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：

1.  轮询注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP\_ACCEPT 事件）
2.  处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到WorkerGroup 中某个线程上的 Selector 上
3.  再去以此循环处理任务队列中的下一个事件

每个 WorkerGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：

1.  轮询注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP\_READ/OP\_WRITE 事件）
2.  在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
3.  再去以此循环处理任务队列中的下一个事件

### 2.3.3 超进化版Netty模型 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

从上图我们可以发现：

*  Netty 抽象出BossGroup 和 WorkerGroup两组线程池，也可以叫做BossNioEventLoopGroup 和 WorkerNioEventLoopGroup。每个线程池中都有NioEventLoop 线程。BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写，BossGroup 和 WorkerGroup 的类型都是NioEventLoopGroup
 *  NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每个事件循环就  
    是一个 NioEventLoop
 *  NioEventLoop 表示一个不断循环的执行事件处理的线程，每个 NioEventLoop 都包含一个  
    Selector，用于监听注册在其上的 Socket 网络连接（Channel）
 *  NioEventLoopGroup 可以含有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop

每个 BossNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：

1.  select：轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP\_ACCEPT 事件）
2.  processSelectedKeys：处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个NioSocketChannel，并将其注册到某个 WorkerNioEventLoop 上的 Selector 上
3.  runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务

每个 WorkerNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：

1.  select：轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP\_READ/OP\_WRITE 事件）
2.  processSelectedKeys：在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
3.  runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务

注意：在以上两个processSelectedKeys步骤中，会使用 Pipeline（管道），Pipeline 中引用了  
Channel，即通过 Pipeline 可以获取到对应的 Channel，Pipeline 中维护了很多的处理器（拦截处理器、过滤处理器、自定义处理器等）。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220829/3b4f849c9a6f4fff9d1b517f01e5234a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220829/e78d4d1dd7e043a0b69a6eae34bb8f92.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220829/fffce9e9b6594af6a4fedd75f5dd47eb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220829/a04484f93896442faf511f6dd1c62dca.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220829/eed6e9570cbf482e915b5b20cc2c47ad.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tpbmcxMzEyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220829/bd04356e364d4b57a75c25012f04887e.png