Netty之EventLoop

秒速五厘米 2022-05-20 01:55 277阅读 0赞

**一、****NIO Reactor****模型**

**1、Reactor模式思想：分而治之+事件驱动**

1）分而治之

一个连接里完整的网络处理过程一般分为accept、read、decode、process、encode、send这几步。

Reactor模式将每个步骤映射为一个Task，服务端线程执行的最小逻辑单元不再是一次完整的网络请求，而是Task，且采用非阻塞方式执行。

2）事件驱动

每个Task对应特定网络事件。当Task准备就绪时，Reactor收到对应的网络事件通知，并将Task分发给绑定了对应网络事件的Handler执行。

3）几个角色

Reactor：负责响应事件，将事件分发给绑定了该事件的Handler处理；

Handler：事件处理器，绑定了某类事件，负责执行对应事件的Task对事件进行处理；

Acceptor：Handler的一种，绑定了connect事件。当客户端发起connect请求时，Reactor会将accept事件分发给Acceptor处理。

**2、单线程Reactor**

**![70][]**

所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的

**1）优点：**

不需要做并发控制，代码实现简单清晰。

**2）缺点：**

a)不能利用多核CPU；

b)一个线程需要执行处理所有的accept、read、decode、process、encode、send事件，处理成百上千的链路时性能上无法支撑；

c)一旦reactor线程意外跑飞或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用。

**3、多线程Reactor**

**![70 1][]**

一个Acceptor负责接收请求，一个Reactor Thread Pool负责处理I/O操作

**特点：**

a)有专门一个reactor线程用于监听服务端ServerSocketChannel，接收客户端的TCP连接请求；

b)网络IO的读/写操作等由一个worker reactor线程池负责，由线程池中的NIO线程负责监听SocketChannel事件，进行消息的读取、解码、编码和发送。

c)一个NIO线程可以同时处理N条链路，但是一个链路只注册在一个NIO线程上处理，防止发生并发操作问题。

**4、主从多线程**

**![70 2][]**

一个Acceptor负责接收请求，一个Main Reactor Thread Pool负责连接，一个Sub Reactor Thread Pool负责处理I/O操作。

在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是在极个别特殊场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。

**特点：**

a)服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的reactor线程，而是一个boss reactor线程池；

b)服务端启用多个ServerSocketChannel监听不同端口时，每个ServerSocketChannel的监听工作可以由线程池中的一个NIO线程完成。

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**二、Netty线程模型**

**![70 3][]**

netty线程模型采用“服务端监听线程”和“IO线程”分离的方式，与多线程Reactor模型类似。

抽象出NioEventLoop来表示一个不断循环执行处理任务的线程，每个NioEventLoop有一个selector，用于监听绑定在其上的socket链路。

**1、串行化设计避免线程竞争**

netty采用串行化设计理念，从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终由IO线程NioEventLoop负责。整个流程不会进行线程上下文切换，数据无并发修改风险。

一个NioEventLoop聚合一个多路复用器selector，因此可以处理多个客户端连接。

netty只负责提供和管理“IO线程”，其他的业务线程模型由用户自己集成。

时间可控的简单业务建议直接在“IO线程”上处理，复杂和时间不可控的业务建议投递到后端业务线程池中处理。

**2、定时任务与时间轮**

NioEventLoop中的Thread线程按照时间轮中的步骤不断循环执行：

a)在时间片Tirck内执行selector.select()轮询监听IO事件；

b)处理监听到的就绪IO事件；

c)执行任务队列taskQueue/delayTaskQueue中的非IO任务。

**3、线程管理**

Netty线程模型的卓越性能取决于它对当前执行的Thread的身份确定，也就是说，确定他是否是分配给当前Channel以及它的EventLoop的那个线程（通过调用inEventLoop(Thread)）。

**为了确保一个Channel的整个生命周期中的I/O事件会被一个EventLoop负责，Netty通过inEventLoop()方法来判断当前执行的线程的身份，确定它是否是分配给当前Channel以及它的EventLoop的那一个线程。**如果当前（调用）线程正是EventLoop中的线程，那么所提交的任务将会被直接执行，否则，EventLoop将调度该任务以便稍后执行，并将它放入内部的任务队列（每个EventLoop都有它自己的任务队列，从SingleThreadEventLoop的源码就能发现很多用于调度内部任务队列的方法），在下次处理它的事件时，将会执行队列中的那些任务。这种设计可以让任何线程与Channel直接交互，而无需在ChannelHandler中进行额外的同步。

从性能上来考虑，千万不要将一个需要长时间来运行的任务放入到任务队列中，它会影响到该队列中的其他任务的执行。解决方案是使用一个专门的EventExecutor来执行它（ChannelPipeline提供了带有EventExecutorGroup参数的addXXX()方法，该方法可以将传入的ChannelHandler绑定到你传入的EventExecutor之中），这样它就会在另一条线程中执行，与其他任务隔离。

**4****、线程模型选择**

**下面以服务端的配置为例，说明如何选择不同的线程模型。**

**①单线程模型**

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
     try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup)
             .channel(NioServerSocketChannel.class)
            ......

以上示例中实例化了一个NIOEventLoopGroup，并传入线程数量为1，然后调用ServerBootstrap的group方法绑定线程组，看实现：

@Override
        public ServerBootstrap group(EventLoopGroup group) {
            return group(group, group);
        }
        public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup) {
            super.group(parentGroup);
            if (childGroup == null) {
                throw new NullPointerException("childGroup");
            }
            if (this.childGroup != null) {
                throw new IllegalStateException("childGroup set already");
            }
            this.childGroup = childGroup;
            return this;
        }

从源码可知，实际仍然绑定了 bossGroup 和 workerGroup，只是都是同一个NioEventLoopGroup实例而已，这样Netty中的acceptor和后续的所有客户端连接的IO操作都是在一个线程中处理，这就相当于Reactor的单线程模型。

**②多线程模型**

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
    EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
    try {
          ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
          b.group(bossGroup, workerGroup)
           .channel(NioServerSocketChannel.class)
           ......

创建1个线程的bossGroup线程组，这个线程负责处理客户端的连接请求，而workerGroup默认使用处理器个数\*2的线程数量来处理I/O操作。这就相当于Reactor的多线程模型。

**③主从多线程模型**

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(4);
    EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
    try {
          ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
          b.group(bossGroup, workerGroup)
           .channel(NioServerSocketChannel.class)
           ......

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**三、NioEventLoop与NioChannel类关系**

![70 4][]

一个NioEventLoopGroup下包含多个NioEventLoop

每个NioEventLoop中包含有一个Selector，一个taskQueue，一个delayedTaskQueue

每个NioEventLoop的Selector上可以注册监听多个AbstractNioChannel

每个AbstractNioChannel只会绑定在唯一的NioEventLoop上

每个AbstractNioChannel都绑定有一个自己的DefaultChannelPipeline

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**四、NioEventLoop线程执行过程**

**1、轮询监听的IO事件**

**1）netty的轮询注册机制**

netty将AbstractNioChannel内部的jdk类SelectableChannel对象注册到NioEventLoopGroup中的jdk类Selector对象上去，并且将AbstractNioChannel作为SelectableChannel对象的一个attachment附属上。

这样在Selector轮询到某个SelectableChannel有IO事件发生时，就可以直接取出IO事件对应的AbstractNioChannel进行后续操作。

**2）循环执行阻塞selector.select(timeoutMIllis)操作直到以下条件产生**

a)轮询到了IO事件（selectedKey != 0）

b)oldWakenUp参数为true

c)任务队列里面有待处理任务（hasTasks()）

d)第一个定时任务即将要被执行（hasScheduledTasks()）

e)用户主动唤醒（wakenUp.get()==true）

**2、处理任务队列**

**1）处理用户产生的普通任务**

NioEventLoop中的Queue<Runnable> taskQueue被用来承载用户产生的普通Task。

taskQueue被实现为netty的mpscQueue，即多生产者单消费者队列。netty使用该队列将外部用户线程产生的Task聚集，并在reactor线程内部用单线程的方式串行执行队列中的Task。

当用户在非IO线程调用Channel的各种方法执行Channel相关的操作时，比如channel.write()、channel.flush()等，netty会将相关操作封装成一个Task并放入taskQueue中，保证相关操作在IO线程中串行执行。

**2）处理用户产生的定时任务**

NioEventLoop中的Queue<ScheduledFutureTask<?>>delayedTaskQueue = new PriorityQueue被用来承载用户产生的定时Task。

当用户在非IO线程需要产生定时操作时，netty将用户的定时操作封装成ScheduledFutureTask，即一个netty内部的定时Task，并将定时Task放入delayedTaskQueue中等待对应Channel的IO线程串行执行。

为了解决多线程并发写入delayedTaskQueue的问题，netty将添加ScheduledFutureTask到delayedTaskQueue中的操作封装成普通Task，放入taskQueue中，通过NioEventLoop的IO线程对delayedTaskQueue进行单线程写操作。

**3）处理任务队列的逻辑**

a)将已到期的定时Task从delayedTaskQueue中转移到taskQueue中

b)计算本次循环执行的截止时间

c)循环执行taskQueue中的任务，每隔64个任务检查一下是否已过截止时间，直到taskQueue中任务全部执行完或者超过执行截止时间。

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**五、Netty中Reactor线程和worker线程所处理的事件**

**1、Server端NioEventLoop处理的事件**

**![70 5][]**

**2、Client端NioEventLoop处理的事件**

![70 6][]

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[70 2]: /images/20220520/d79bf5b71de546a48c556d5bcb760b36.png
[70 3]: /images/20220520/93a97ca8607648b683a027924080ccd6.png
[70 4]: /images/20220520/5c6c930bbf864d31849428d3f6ac38b5.png
[70 5]: /images/20220520/2ef24c3e9bd34e218349c822b19d722c.png
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