【Netty】特性分析及核心组件介绍

我会带着你远行 2022-12-31 07:23 111阅读 0赞

NIO 的类库和 API 繁杂， 使用麻烦，需要熟练掌握 Selector、 ServerSocketChannel、 SocketChannel、 ByteBuffer等。 并且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、心跳处理、半包读写、 网络拥塞和异常流的处理等等。Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了良好的封装，解决了上述问题。

按照定义来说，Netty 是一个异步、事件驱动的用来做高性能、高可靠性的网络应用框架。主要的优点有：

1.  框架设计优雅，底层模型随意切换适应不同的网络协议要求。
2.  提供很多标准的协议、安全、编码解码的支持。
3.  解决了很多NIO 不易用的问题。
4.  社区更为活跃，在很多开源框架中使用，如Dubbo、RocketMQ、Spark等。

并且 Netty 拥有高性能、 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等优点。

> Netty 现在都在用的是4.x，5.x版本已经废弃，Netty 4.x 需要JDK 6以上版本支持

### Netty采用NIO而非AIO的理由 ###

1.  Netty 不看重Windows 上的使用，在Linux 系统上，AIO 的底层实现仍使用EPOLL，没有很好实现AIO，因此在性能上没有明显的优势，而且被JDK 封装了一层不容易深度优化
2.  Netty整体架构是reactor模型, 而AIO是proactor模型, 混合在一起会非常混乱,把AIO也改造成reactor模型看起来是把epoll 绕个弯又绕回来
3.  AIO还有个缺点是接收数据需要预先分配缓存, 而不是NIO那种需要接收时才需要分配缓存, 所以对连接数量非常大但流量小的情况, 内存浪费很多
4.  Linux 上 AIO 不够成熟，处理回调结果速度跟不到处理需求，比如外卖员太少，顾客太多，供不应求，造成处理速度有瓶颈（待验证）

### Netty的使用场景 ###

1）互联网行业

在分布式系统中，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 作为异步高性能的通信框架，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。Rocketmq底层也是用的Netty作 为基础通信组件。

2）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/UDP 和 HTTP 协议栈。

3）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。

> Netty相关开源项目：https://netty.io/wiki/related-projects.html

### Netty线程模型 ###

可以先理解下《Scalable IO in Java》这篇文章里说的一些IO处理模式，Netty的线程模型如下图所示：

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1）Netty 抽象出两组线程池 BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup 专门负责网络的读写

2）BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup

3）NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环线程组，这个组中含有多个事件循环线程，每一个事件循环线程是 NioEventLoop

4）每个 NioEventLoop 都有一个 selector , 用于监听注册在其上的 socketChannel 的网络通讯

5）每个 Boss NioEventLoop 线程内部循环执行的步骤有 3 步：

1.  处理 accept 事件 , 与 client 建立连接 , 生成 NioSocketChannel
2.  将 NioSocketChannel 注册到某个 worker NIOEventLoop 上的 selector
3.  处理任务队列的任务， 即 runAllTasks

6）每个 worker NIOEventLoop 线程循环执行的步骤：

1.  轮询注册到自己 selector上的所有 NioSocketChannel 的 read, write 事件
2.  处理 I/O 事件， 即 read , write 事件， 在对应 NioSocketChannel 处理业务
3.  runAllTasks 处理任务队列 TaskQueue 的任务，一些耗时的业务处理一般可以放入 TaskQueue 中慢慢处理，这样不影响数据在 pipeline 中的流动处理

7）每个 worker NIOEventLoop 处理 NioSocketChannel 业务时，会使用 pipeline (管道)，管道中维护了很多 handler 处理器用来处理 channel 中的数据

### Netty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：

1.  当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
2.  网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
3.  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
4.  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
5.  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。

【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

【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。

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：  
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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。

read事件(入站事件)和write事件(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。

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