netty高性能调优点

Bertha 。 2022-05-22 07:52 139阅读 0赞

## netty ##

关于netty的学习和介绍，可以去github看官方文档，这里良心推荐《netty实战》和《netty权威指南》两本书，前者对于新手更友好，原理和应用都有讲到，多读读会发现很多高性能的优化点。

## netty高性能优化点 ##

最近参加了阿里中间价性能比赛，为了提升netty写的servive mesh的网络通信的性能，最近几天查了书、博客（这里强力推荐netty作者的博客，干货真的很多），自己总结了如下一下优化点。如果有错误希望能指正。

注：这里所讨论的对应的netty版本为netty4

首先要明确要netty优化的几个主要的关注点。

1.  减少线程切换的开销。
2.  复用channel，可以选择池化channel
3.  zero copy的应用
4.  减少并发下的竞态情况

接下来将细数一下总结的优化点

#### 1. **尽可能的复用`EventLoopGroup`。** ####

这里就要涉及netty的线程模型了。netty实战的第七章里有很细致的阐释。简单说`EventLoopGroup`包含了指定数量（如果没有指定，默认是cpu核数的两倍，可以从源码中看到）的`EvenetLoop`，`Eve netLoop`和`channel`的关系是一对多，一个`channel`被分配给一个`EventLoop`，它生命周期中都会使用这个`EventLoop`，而`EventLoop`背后就是线程。见下图。

> 因此如果需要使用`ThreadLocal`保存上下文，那么许多channel就会共享同一个上下文。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NfSjMz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

因此不需要每次都new出一个`EventLoopGroup`，其本质上是线程分配，**可以复用同一个`EventLoopGroup`，减少资源的使用和线程的切换**。特别是在服务端引导一个客户端连接的时候。如下：

ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
    bootstrap.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
            .channel(NioServerSocketChannel.class)
            .childHandler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() { 
                @Override
                protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf byteBuf) 
                    throws Exception { 
                    Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
                    bootstrap.channel(NioSocketChannel.class)
                        .group(ctx.channel().eventLoop())
                        .handler(new SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>() { 
                                @Override
                                protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) 
                                    throws Exception { 
                                    System.out.println("Received data");
                                }
                            });
                    ChannelFuture future =  bootstrap.connect(new InetSocketAddress(xxx, 80));
                    future.addListener(new ChannelFutureListener() { 
                        @Override
                        public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception { 
                            // do something
                        }
                    });
                }
            });
    bootstrap.bind(new InetSocketAddress(8080)).sync();

#### 2. 使用`EventLoop`的任务调度 ####

在EventLoop的支持线程外使用channel，用

channel.eventLoop().execute(new Runnable() { 
       @Override
        public void run() { 
       		channel.writeAndFlush(data)
        }
    });

而不是直接使用`channel.writeAndFlush(data)`；

前者会直接放入channel所对应的EventLoop的执行队列，而后者会导致线程的切换。

#### 3. 减少ChannelPipline的调用长度 ####

public class YourHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
      @Override
      public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) { 
        // BAD (most of the times)
        ctx.channel().writeAndFlush(msg); 
        // GOOD
        ctx.writeAndFlush(msg); 
       }
    }

前者是将msg从整个ChannelPipline中走一遍，所有的handler都要经过，而后者是从当前handler一直到pipline的尾部，调用更短。

同样，为了减少pipline的长度，如果一个handler只需要使用一次，那么可以在使用过之后，将其从pipline中remove。

#### 4. 减少ChannelHandler的创建 ####

如果channelhandler是无状态的（即不需要保存任何状态参数），那么使用`Sharable`注解，并在bootstrap时只创建一个实例，减少GC。否则每次连接都会new出handler对象。

@ChannelHandler.Shareable 
    public class StatelessHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
      	@Override
      	public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) { }
    }
    
    public class MyInitializer extends ChannelInitializer<Channel> { 
      	private static final ChannelHandler INSTANCE = new StatelessHandler();
      	@Override
      	public void initChannel(Channel ch) { 
        	ch.pipeline().addLast(INSTANCE);
      	}
    }

同时需要注意`ByteToMessageDecoder`之类的编解码器是有状态的，不能使用`Sharable`注解。

#### 5. 减少系统调用（Flush）的调用 ####

flush操作是将消息发送出去，会引起系统调用，应该尽量减少flush操作，减少系统调用的开销。

同时也要减少write的操作， 因为这样消息会流过整个ChannelPipline。

#### 6. 使用单链接 ####

对于两个指定的端点可以使用单一的channel，在第一次创建之后保存channel，然后下次对于同一个IP地址可以复用该`channel`而不需要重新建立。

你可能需要一个map来保存对于不同ip的channel，但是在初始化时这可能会有一些线程并发的问题。在这篇微信推文（https://mp.weixin.qq.com/s/JRsbK1Un2av9GKmJ8DK7IQ）中有提到对于这个的解决方案，在蚂蚁金服的sofa-bolt项目中有类似情形，不过不太理解。

initialTask = this.connTasks.get(poolKey);
    if (null == initialTask) { 
        initialTask = new RunStateRecordedFutureTask<ConnectionPool>(callable);
        initialTask = this.connTasks.putIfAbsent(poolKey, initialTask);
        if (null == initialTask) { 
            initialTask = this.connTasks.get(poolKey);
            initialTask.run();
        }
    }

#### 7. 利用netty零拷贝，在IO操作时使用池化的DirectBuffer ####

在bootstrap配置参数的时候，使用`.option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT)`来指定一个池化的Allocator，并且使用`ByteBuf buf = allocator.directBuffer();`来获取Bytebuf。

PooledByteBufAllocator，netty会帮你复用（无需release，除非你后面还需要用到同一个bytebuf）而不是每次都重新分配ByteBuf。在IO操作中，分配直接内存而不是JVM的堆空间，就避免了在发送数据时，从JVM到直接内存的拷贝过程，这也就是zero copy的含义。

#### 8. 一些配置参数的设置 ####

ServerBootstrap启动时，通常 `bossGroup` 只需要设置为 `1` 即可，因为 `ServerSocketChannel` 在初始化阶段，只会注册到某一个 `eventLoop` 上，而这个 `eventLoop` 只会有一个线程在运行，所以没有必要设置为多线程。而 IO 线程，为了充分利用 CPU，同时考虑减少线上下文切换的开销，通常设置为 CPU 核数的两倍，这也是 Netty 提供的默认值。

在对于响应时间有高要求的场景，使用`.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)`和`.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)`来禁用nagle算法，不等待，立即发送。

#### 9. 小心的使用并发编程技巧 ####

\*\*千万不要阻塞EventLoop！\*\*包括了`Thead.sleep()` `CountDownLatch` 和一些耗时的操作等等，尽量使用netty中的各种future。如果必须尽量减少重量级的锁的的使用。

*  在使用`volatile`时，

坏的：

private volatile Selector selector;
    
    public void method() { 
      selector.select();
      ....
      selector.selectNow();
    }

好的：先将volatile变量保存到方法栈中，jdk源码中大量的使用了这种技巧。

private volatile Selector selector;
    
    public void method() { 
      Selector selector = this.selector;
      selector.select();
      ....
      selector.selectNow();
    }

*  使用`Atomic*FieldUpdater`替换`Atomic*`。关于这个可以参考http://normanmaurer.me/blog/2013/10/28/Lesser-known-concurrent-classes-Part-1/。简单说，如果使用`Atomic*`，对于每个连接都会创建一个对象，而如果使用`Atomic*FieldUpdater`则会省去这部分的开销，只有一个`static final`变量。

private static final AtomicLongFieldUpdater<TheDeclaringClass> ATOMIC_UPDATER =
            AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(TheDeclaringClass.class, "atomic");
    
    private volatile long atomic;
    
    public void yourMethod() { 
        ATOMIC_UPDATER.compareAndSet(this, 0, 1);
    }

#### 10. 响应顺序的处理 ####

当使用了单链接，就有一个必须要解决的问题，将请求和响应顺序对应起来。因为所有的操作都是异步的，TCP是基于字节流的，所以channel接收到的数据无法保证和发送顺序一致。这个的解决方案就是，对于每个请求指定一个id，对于响应也携带该id。如果后发的请求的响应先到，则将其缓存起来（可以使用一个并发的队列），然后等待该id之前的所有响应全部接收到，再按序返回。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NfSjMz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

具体实现可以参见nifty中的[NiftyDispatcher类][NiftyDispatcher]。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NfSjMz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220522/f8de4b09b21d44348da55ef14684f5ba.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0NfSjMz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220522/1fdb2fde0c4f4a3489ed9e5c0eac2949.png
[NiftyDispatcher]: https://github.com/facebookarchive/nifty/blob/master/nifty-core/src/main/java/com/facebook/nifty/core/NiftyDispatcher.java