拜托！面试请不要再问我 Netty 底层架构原理！

今天药忘吃喽~ 2023-06-21 08:57 163阅读 0赞

本文来源：51CTO技术栈

在分布式系统被广泛应用的今天，服务有可能分布在网络中的各个节点中。因此，服务之间的调用对分布式系统来说，就显得尤为重要。

对于高性能的 RPC 框架，Netty 作为异步通信框架，几乎成为必备品。例如，Dubbo 框架中通信组件，还有 RocketMQ 中生产者和消费者的通信，都使用了 Netty。今天，我们来看看 Netty 的基本架构和原理。

Netty 的特点与 NIO

Netty 是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，它可以用来开发高性能服务端和客户端。

以前编写网络调用程序的时候，我们都会在客户端创建一个 Socket，通过这个 Socket 连接到服务端。

服务端根据这个 Socket 创建一个 Thread，用来发出请求。客户端在发起调用以后，需要等待服务端处理完成，才能继续后面的操作。这样线程会出现等待的状态。

如果客户端请求数越多，服务端创建的处理线程也会越多，JVM 如此多的线程并不是一件容易的事。

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*使用阻赛 I/O 处理多个连接*

为了解决上述的问题，推出了 NIO 的概念，也就是（Non-blocking I/O）。其中，Selector 机制就是 NIO 的核心。

当每次客户端请求时，会创建一个 Socket Channel，并将其注册到 Selector 上（多路复用器）。

然后，Selector 关注服务端 IO 读写事件，此时客户端并不用等待 IO 事件完成，可以继续做接下来的工作。

一旦，服务端完成了 IO 读写操作，Selector 会接到通知，同时告诉客户端 IO 操作已经完成。

接到通知的客户端，就可以通过 SocketChannel 获取需要的数据了。

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*NIO 机制与 Selector*

上面描述的过程有点异步的意思，不过，Selector 实现的并不是真正意义上的异步操作。

因为 Selector 需要通过线程阻塞的方式监听 IO 事件变更，只是这种方式没有让客户端等待，是 Selector 在等待 IO 返回，并且通知客户端去获取数据。真正“异步 IO”（AIO）这里不展开介绍，有兴趣可以自行查找。

说好了 NIO 再来谈谈 Netty，Netty 作为 NIO 的实现，它适用于服务器/客户端通讯的场景，以及针对于 TCP 协议下的高并发应用。

对于开发者来说，它具有以下特点：

*  对 NIO 进行封装，开发者不需要关注 NIO 的底层原理，只需要调用 Netty 组件就能够完成工作。

*  对网络调用透明，从 Socket 建立 TCP 连接到网络异常的处理都做了包装。

*  对数据处理灵活， Netty 支持多种序列化框架，通过“ChannelHandler”机制，可以自定义“编/解码器”。

*  对性能调优友好，Netty 提供了线程池模式以及 Buffer 的重用机制（对象池化），不需要构建复杂的多线程模型和操作队列。

从一个简单的例子开始

开篇讲到了，为了满足高并发下网络请求，引入了 NIO 的概念。Netty 是针对 NIO 的实现，在 NIO 封装，网络调用，数据处理以及性能优化等方面都有不俗的表现。

学习架构最容易的方式就是从实例入手，从客户端访问服务端的代码来看看 Netty 是如何运作的。再一次介绍代码中调用的组件以及组件的工作原理。

假设有一个客户端去调用一个服务端，假设服务端叫做 EchoServer，客户端叫做 EchoClient，用 Netty 架构实现代码如下。

**服务端代码**

构建服务器端，假设服务器接受客户端传来的信息，然后在控制台打印。首先，生成 EchoServer，在构造函数中传入需要监听的端口号。

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*构造函数中传入需要监听的端口号*

接下来就是服务的启动方法：

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*启动 NettyServer 的 Start 方法*

Server 的启动方法涉及到了一些组件的调用，例如 EventLoopGroup，Channel。这些会在后面详细讲解。

这里有个大致的印象就好：

*  创建 EventLoopGroup。
 *  创建 ServerBootstrap。
 *  指定所使用的 NIO 传输 Channel。
 *  使用指定的端口设置套接字地址。
 *  添加一个 ServerHandler 到 Channel 的 ChannelPipeline。
 *  异步地绑定服务器；调用 sync() 方法阻塞等待直到绑定完成。
 *  获取 Channel 的 CloseFuture，并且阻塞当前线程直到它完成。
 *  关闭 EventLoopGroup，释放所有的资源。

NettyServer 启动以后会监听某个端口的请求，当接受到了请求就需要处理了。在 Netty 中客户端请求服务端，被称为“入站”操作。

可以通过 ChannelInboundHandlerAdapter 实现，具体内容如下：

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*处理来自客户端的请求*

从上面的代码可以看出，服务端处理的代码包含了三个方法。这三个方法都是根据事件触发的。

他们分别是：

*  当接收到消息时的操作，channelRead。
 *  消息读取完成时的方法，channelReadComplete。
 *  出现异常时的方法，exceptionCaught。

**客户端代码**

客户端和服务端的代码基本相似，在初始化时需要输入服务端的 IP 和 Port。

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同样在客户端启动函数中包括以下内容：

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客户端启动程序的顺序：

*  创建 Bootstrap。
 *  指定 EventLoopGroup 用来监听事件。
 *  定义 Channel 的传输模式为 NIO（Non-BlockingInputOutput）。
 *  设置服务器的 InetSocketAddress。
 *  在创建 Channel 时，向 ChannelPipeline 中添加一个 EchoClientHandler 实例。
 *  连接到远程节点，阻塞等待直到连接完成。
 *  阻塞，直到 Channel 关闭。
 *  关闭线程池并且释放所有的资源。

客户端在完成以上操作以后，会与服务端建立连接从而传输数据。同样在接受到 Channel 中触发的事件时，客户端会触发对应事件的操作。

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例如 Channel 激活，客户端接受到服务端的消息，或者发生异常的捕获。

从代码结构上看还是比较简单的。服务端和客户端分别初始化创建监听和连接。然后分别定义各自的 Handler 处理对方的请求。

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*服务端/客户端初始化和事件处理*

Netty 核心组件

通过上面的简单例子，发现有些 Netty 组件在服务初始化以及通讯时被用到，下面就来介绍一下这些组件的用途和关系。

## **①Channel** ##

通过上面例子可以看出，当客户端和服务端连接的时候会建立一个 Channel。

这个 Channel 我们可以理解为 Socket 连接，它负责基本的 IO 操作，例如：bind（），connect（），read（），write（） 等等。

简单的说，Channel 就是代表连接，实体之间的连接，程序之间的连接，文件之间的连接，设备之间的连接。同时它也是数据入站和出站的载体。

## **②EventLoop 和 EventLoopGroup** ##

既然有了 Channel 连接服务，让信息之间可以流动。如果服务发出的消息称作“出站”消息，服务接受的消息称作“入站”消息。那么消息的“出站”/“入站”就会产生事件（Event）。

例如：连接已激活；数据读取；用户事件；异常事件；打开链接；关闭链接等等。

顺着这个思路往下想，有了数据，数据的流动产生事件，那么就有一个机制去监控和协调事件。

这个机制（组件）就是 EventLoop。在 Netty 中每个 Channel 都会被分配到一个 EventLoop。一个 EventLoop 可以服务于多个 Channel。

每个 EventLoop 会占用一个 Thread，同时这个 Thread 会处理 EventLoop 上面发生的所有 IO 操作和事件（Netty 4.0）。

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*EventLoop 与 Channel 关系*

理解了 EventLoop，再来说 EventLoopGroup 就容易了，EventLoopGroup 是用来生成 EventLoop 的，还记得例子代码中第一行就 new 了 EventLoopGroup 对象。

一个 EventLoopGroup 中包含了多个 EventLoop 对象。

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*创建 EventLoopGroup*

EventLoopGroup 要做的就是创建一个新的 Channel，并且给它分配一个 EventLoop。

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*EventLoopGroup，EventLoop 和 Channel 的关系*

在异步传输的情况下，一个 EventLoop 是可以处理多个 Channel 中产生的事件的，它主要的工作就是事件的发现以及通知。

相对于以前一个 Channel 就占用一个 Thread 的情况。Netty 的方式就要合理多了。

客户端发送消息到服务端，EventLoop 发现以后会告诉服务端：“你去获取消息”，同时客户端进行其他的工作。

当 EventLoop 检测到服务端返回的消息，也会通知客户端：“消息返回了，你去取吧“。客户端再去获取消息。整个过程 EventLoop 就是监视器+传声筒。

## **③ChannelHandler，ChannelPipeline 和 ChannelHandlerContext** ##

如果说 EventLoop 是事件的通知者，那么 ChannelHandler 就是事件的处理者。

在 ChannelHandler 中可以添加一些业务代码，例如数据转换，逻辑运算等等。

正如上面例子中展示的，Server 和 Client 分别都有一个 ChannelHandler 来处理，读取信息，网络可用，网络异常之类的信息。

并且，针对出站和入站的事件，有不同的 ChannelHandler，分别是：

*  **ChannelInBoundHandler（入站事件处理器）**
 *  **ChannelOutBoundHandler（出站事件处理器）**

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假设每次请求都会触发事件，而由 ChannelHandler 来处理这些事件，这个事件的处理顺序是由 ChannelPipeline 来决定的。

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*ChannelHanlder 处理，出站/入站的事件*

ChannelPipeline 为 ChannelHandler 链提供了容器。到 Channel 被创建的时候，会被 Netty 框架自动分配到 ChannelPipeline 上。

ChannelPipeline 保证 ChannelHandler 按照一定顺序处理事件，当事件触发以后，会将数据通过 ChannelPipeline 按照一定的顺序通过 ChannelHandler。

说白了，ChannelPipeline 是负责“排队”的。这里的“排队”是处理事件的顺序。

同时，ChannelPipeline 也可以添加或者删除 ChannelHandler，管理整个队列。

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如上图，ChannelPipeline 使 ChannelHandler 按照先后顺序排列，信息按照箭头所示方向流动并且被 ChannelHandler 处理。

说完了 ChannelPipeline 和 ChannelHandler，前者管理后者的排列顺序。那么它们之间的关联就由 ChannelHandlerContext 来表示了。

每当有 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 时，同时会创建 ChannelHandlerContext 。

ChannelHandlerContext 的主要功能是管理 ChannelHandler 和 ChannelPipeline 的交互。

不知道大家注意到没有，开始的例子中 ChannelHandler 中处理事件函数，传入的参数就是 ChannelHandlerContext。

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ChannelHandlerContext 参数贯穿 ChannelPipeline，将信息传递给每个 ChannelHandler，是个合格的“通讯员”。

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*ChannelHandlerContext 负责传递消息*

把上面提到的几个核心组件归纳一下，用下图表示方便记忆他们之间的关系。

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*Netty 核心组件关系图*

Netty 的数据容器

前面介绍了 Netty 的几个核心组件，服务器在数据传输的时候，产生事件，并且对事件进行监控和处理。

接下来看看数据是如何存放以及是如何读写的。Netty 将 ByteBuf 作为数据容器，来存放数据。

**ByteBuf 工作原理**

从结构上来说，ByteBuf 由一串字节数组构成。数组中每个字节用来存放信息。

ByteBuf 提供了两个索引，一个用于读取数据，一个用于写入数据。这两个索引通过在字节数组中移动，来定位需要读或者写信息的位置。

当从 ByteBuf 读取时，它的 readerIndex（读索引）将会根据读取的字节数递增。

同样，当写 ByteBuf 时，它的 writerIndex 也会根据写入的字节数进行递增。

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*ByteBuf 读写索引图例*

需要注意的是极限的情况是 readerIndex 刚好读到了 writerIndex 写入的地方。

如果 readerIndex 超过了 writerIndex 的时候，Netty 会抛出 IndexOutOf-BoundsException 异常。

**ByteBuf 使用模式**

谈了 ByteBuf 的工作原理以后，再来看看它的使用模式。

根据存放缓冲区的不同分为三类：

*  **堆缓冲区，**ByteBuf 将数据存储在 JVM 的堆中，通过数组实现，可以做到快速分配。
    
    由于在堆上被 JVM 管理，在不被使用时可以快速释放。可以通过 ByteBuf.array() 来获取 byte\[\] 数据。
 *  **直接缓冲区，**在 JVM 的堆之外直接分配内存，用来存储数据。其不占用堆空间，使用时需要考虑内存容量。
    
    它在使用 Socket 传递时性能较好，因为间接从缓冲区发送数据，在发送之前 JVM 会先将数据复制到直接缓冲区再进行发送。
    
    由于，直接缓冲区的数据分配在堆之外，通过 JVM 进行垃圾回收，并且分配时也需要做复制的操作，因此使用成本较高。
 *  **复合缓冲区，**顾名思义就是将上述两类缓冲区聚合在一起。Netty 提供了一个 CompsiteByteBuf，可以将堆缓冲区和直接缓冲区的数据放在一起，让使用更加方便。

**ByteBuf 的分配**

聊完了结构和使用模式，再来看看 ByteBuf 是如何分配缓冲区的数据的。

Netty 提供了两种 ByteBufAllocator 的实现，他们分别是：

*  **PooledByteBufAllocator，**实现了 ByteBuf 的对象的池化，提高性能减少内存碎片。
 *  **Unpooled-ByteBufAllocator，**没有实现对象的池化，每次会生成新的对象实例。

对象池化的技术和线程池，比较相似，主要目的是提高内存的使用率。池化的简单实现思路，是在 JVM 堆内存上构建一层内存池，通过 allocate 方法获取内存池中的空间，通过 release 方法将空间归还给内存池。

对象的生成和销毁，会大量地调用 allocate 和 release 方法，因此内存池面临碎片空间回收的问题，在频繁申请和释放空间后，内存池需要保证连续的内存空间，用于对象的分配。

基于这个需求，有两种算法用于优化这一块的内存分配：伙伴系统和 slab 系统。

伙伴系统，用完全二叉树管理内存区域，左右节点互为伙伴，每个节点代表一个内存块。内存分配将大块内存不断二分，直到找到满足所需的最小内存分片。

内存释放会判断释放内存分片的伙伴（左右节点）是否空闲，如果空闲则将左右节点合成更大块内存。

slab 系统，主要解决内存碎片问题，将大块内存按照一定内存大小进行等分，形成相等大小的内存片构成的内存集。

按照内存申请空间的大小，申请尽量小块内存或者其整数倍的内存，释放内存时，也是将内存分片归还给内存集。

Netty 内存池管理以 Allocate 对象的形式出现。一个 Allocate 对象由多个 Arena 组成，每个 Arena 能执行内存块的分配和回收。

Arena 内有三类内存块管理单元：

*  **TinySubPage**
 *  **SmallSubPage**
 *  **ChunkList**

Tiny 和 Small 符合 Slab 系统的管理策略，ChunkList 符合伙伴系统的管理策略。

当用户申请内存介于 tinySize 和 smallSize 之间时，从 tinySubPage 中获取内存块。

申请内存介于 smallSize 和 pageSize 之间时，从 smallSubPage 中获取内存块；介于 pageSize 和 chunkSize 之间时，从 ChunkList 中获取内存；大于 ChunkSize（不知道分配内存的大小）的内存块不通过池化分配。

Netty 的 Bootstrap

说完了 Netty 的核心组件以及数据存储。再回到最开始的例子程序，在程序最开始的时候会 new 一个 Bootstrap 对象，后面所有的配置都是基于这个对象展开的。

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*生成 Bootstrap 对象*

Bootstrap 的作用就是将 Netty 核心组件配置到程序中，并且让他们运行起来。

从 Bootstrap 的继承结构来看，分为两类分别是 Bootstrap 和 ServerBootstrap，一个对应客户端的引导，另一个对应服务端的引导。

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*支持客户端和服务端的程序引导*

客户端引导 Bootstrap，主要有两个方法 bind（） 和 connect（）。Bootstrap 通过 bind（） 方法创建一个 Channel。

在 bind（） 之后，通过调用 connect（） 方法来创建 Channel 连接。

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*Bootstrap 通过 bind 和 connect 方法创建连接*

服务端引导 ServerBootstrap，与客户端不同的是在 Bind（） 方法之后会创建一个 ServerChannel，它不仅会创建新的 Channel 还会管理已经存在的 Channel。

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ServerBootstrap 通过 bind 方法创建/管理连接

通过上面的描述，服务端和客户端的引导存在两个区别：

*  ServerBootstrap（服务端引导）绑定一个端口，用来监听客户端的连接请求。而 Bootstrap（客户端引导）只要知道服务端 IP 和 Port 建立连接就可以了。
 *  Bootstrap（客户端引导）需要一个 EventLoopGroup，但是 ServerBootstrap（服务端引导）则需要两个 EventLoopGroup。
    
    因为服务器需要两组不同的 Channel。第一组 ServerChannel 自身监听本地端口的套接字。第二组用来监听客户端请求的套接字。

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*ServerBootstrap 有两组 EventLoopGroup*

总结

我们从 NIO 入手，谈到了 Selector 的核心机制。然后通过介绍 Netty 客户端和服务端源代码运行流程，让大家对 Netty 编写代码有基本的认识。

在 Netty 的核心组件中，Channel 提供 Socket 的连接通道，EventLoop 会对应 Channel 监听其产生的事件，并且通知执行者。EventloopGroup 的容器，负责生成和管理 EventLoop。

ChannelPipeline 作为 ChannelHandler 的容器会绑定到 Channel 上，然后由 ChannelHandler 提供具体事件处理。另外，ChannelHandlerContext 为 ChannelHandler 和 ChannelPipeline 提供信息共享。

ByteBuf 作为 Netty 的数据容器，通过字节数组的方式存储数据，并且通过读索引和写索引来引导读写操作。

上述的核心组件都是通过 Bootstrap 来配置并且引导启动的，Bootstrap 启动方式虽然一致，但是针对客户端和服务端有些许的区别。

**END**

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