前言
- BIO 、NIO 、AIO 总结
- Unix网络编程中的五种IO模型
- 深入理解IO多路复用实现机制
在学习Netty 之前我们最好先掌握 BIO、NIO、AIO 基础知识，前面我们已经花了三篇文章去讲这些知识。我们开始来学习 Netty 的具体知识了，本文就Netty线程模型展开分析。
基本概念
IO 模型
- BIO：同步阻塞模型；
- NIO：基于IO多路复用技术的“非阻塞同步”IO模型。简单来说，内核将可读可写事件通知应用，由应用主动发起读写事件；
- AIO：非阻塞异步IO模型。简单来说，内核将读完成事件通知应用，读操作由内核完成，应用只需要操作数据即可；应用做异步写操作时立即返回，内核会进行写操作排队并执行写操作。
NIO 和 AIO 不同之处在于应用是否进行真正的读写操作。
reactor 和 proactor 模型
- reactor：基于NIO技术，可读可写时通知应用；
- proactor：基于AIO技术，读完成时通知应用，写操作应用通知内核。
Netty认识
Netty是Java领域有名的开源网络库，特点是高性能和高扩展性，因此很多流行的框架都是基于它来构建的，比如我们熟知的Dubbo、Rocketmq、Hadoop等。
通过前面 NIO 的学习可以看到，NIO 的类库和API 繁杂，例如 Selector、 ServerSocketChannel、 SocketChannel、 ByteBuffer等这些对于从事应用层的程序员来说，使用起来开发工作量和难度都非常大。另外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。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。
在了解Netty使用场景后，本节将从IO模型的演进角度来分析Netty线程模型，通过并发编程之父Doug Lea所写《Scalable IO in Java》中涉及的一些IO处理模式，一步一步深入理解Netty线程模型的“进化历史”。
《Scalable IO in Java》：
http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf
Netty使用场景
- 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 使用 Dubbo 协议进行通信，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；消息中间件Rocketmq底层也是用的Netty作为基础通信组件。
- 游戏行业：无论是手游服务端还是大型的网络游戏,Java 语言都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。
- 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 进行跨节点通信,它的 Netty Service 是基于 Netty 框架二次封装实现。
Netty相关开源项目：
https://netty.io/wiki/related-projects.html
IO处理模式演进
基本上所有的网络处理程序都遵循以下基本的处理（handler）流程:
- Read request （接收二进制数据）
- Decode request （解码为可读数据）
- Process service （对数据进行处理产生结果）
- Encode reply （将结果编码为二进制数据）
- Send reply （返回结果）
传统网络服务器会为每一个连接的处理开启一个新的线程，即我们前面所说的BIO模型（多线程模式），我们可以看下大致的示意图：
上图为 BIO版本
BIO模型对于每一个请求都分发给一个线程（可以理解为一个handler），每个handler中都独自处理上面1-5流程。这种模型的适用场景和瓶颈可以查看《BIO 、NIO 、AIO 总结》。
改进：采用基于事件驱动的设计，当有事件触发时，才会调用处理器进行数据处理（非阻塞）。这就是对应的NIO线程模型。
上图为单线程版事件驱动模型，可以理解为NIO单线程版本
上面用到了 Reactor 模式。关于 Reactor 模式的两个概念：
- Reactor：负责响应 IO 事件，当检测到一个新的事件，将其发送给相应的 Handler 去处理。
- Handler：负责处理非阻塞的行为，标识系统管理的资源，同时将 Handler 与事件绑定。
注意：Reactor 为单个线程，如上图所示：不仅需要处理客户端的 accept 连接请求，同时也要负责分发（dispatch）读写请求到处理器中。由于只有单个线程处理各种请求，所以要求处理器中的业务需要能够快速处理完。
改进：现在的服务器基本上是多核 CPU，那么在多处理器场景下，为实现服务的高性能我们可以有目的的采用多线程模式处理业务。
上图为多线程版本事件驱动模型，可以理解为NIO多线程版本
通过与NIO单线程模型相比，增加了worker线程池，专门用于处理非IO操作（decode、compute、encode），大大提高了工作效率。
这种模型下，客户端发送过来的连接和注册还是由主线程 Reactor 统一去处理，只不过客户端连接成功后的后续事件分发给 worker 线程池去处理。
但是，当客户端短时间内几十万或者上百万条连接请求的时候（双十一、春运抢票），单个 Rector 不仅要处理注册事件，也要同时分发任务到 worker 线程池，由于分发也是比较耗时的操作，有可能会导致阻塞。
继续改进：将Reactor 拆分为两部分
上图为主从NIO模型
如上图所示，在这种模型下，mainReactor 专门负责新客户端的连接操作，建立通道（channel），然后将一定事件内的 channel 注册到另外一个 subReactor，subReactor 负责将客户端的读写请求交给线程池处理。这样即使几十万个请求同时到来也无所谓了。
通俗理解，mainReactor就是大总管，只负责接口，subReactor就是一个员工，负责给总管接待客户提供服务。
Netty线程模型
通过对 《 Scalable IO in Java 》里的一些 IO 处理模式理解， Netty的线程模型就是由上面主从NIO模型演变来的，是基于Reactor模型的。
如下图所示，Boos Group 就是上面提到的 mainReactor，与上面不同在于 Worker Group，它可以理解为一组 subReactor，即在大总管下面有多个员工来干活，每次接收的客户都均匀分配给不同员工。Netty 之所以单机支持百万级别并发量，就是因为一主多从的线程模型。
需要说明的是，Netty 的线程模型并不是一成不变的。它通常采用一主多从，但是也可以根据实际需要配置启动参数，通过设置不同的启动参数，Netty 可以同时支持 “多主多从”。
下面是对上图“一主多从” Netty 模型的详细解释：
- Netty 抽象除两组线程池 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。
- BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup。
- 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。
- 每个 NioEventLoop 都有一个 selector，用于监听注册在其上的 socketChannel 的网络通讯。
- 每个 Boss NioEventLoop 线程内部循环执行的步骤有 3 步：处理accept事件，与 client 建立连接，生成 NioSocketChannel；将NioSocketChannel 注册到某个 worker NioEventLoop 上的 selector；处理任务队列的任务，即runAllTasks。
- 每个 worker NIOEvent'Loop线程循环执行的步骤：轮询注册到最近的 selector 上所有的 NioSocketChannel 的 read、write 事件；处理 I/O 事件，即 read、write事件，在对应的NioScoketChannel 处理业务；runAllTask 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，这样不影响数据在 pipeline 中的流动处理。
- 每个 worker NIOEventLoop 处理 NioSocketChannel 业务时，会使用 pipeline （管道），管道中维护来很多 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，通过链式调用串联各个组件。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：
- 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
- 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
- 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。
- 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。
- 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。（最常用）
- 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：
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。
Netty通讯示例
Netty的maven依赖
-
-
io.netty -
netty-all -
4.1.52.Final -
-
服务端代码
- package com.niuh.netty.base;
-
- import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
- import io.netty.channel.ChannelFuture;
- import io.netty.channel.ChannelInitializer;
- import io.netty.channel.ChannelOption;
- import io.netty.channel.EventLoopGroup;
- import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
- import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
- import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
-
- public class NettyServer {
-
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- //创建两个线程组bossGroup和workerGroup, 含有的子线程NioEventLoop的个数默认为cpu核数的两倍
- // bossGroup只是处理连接请求 ,真正的和客户端业务处理，会交给workerGroup完成
- EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
- EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
- try {
- //创建服务器端的启动对象
- ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
- //使用链式编程来配置参数
- bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组
- .channel(NioServerSocketChannel.class) //使用NioServerSocketChannel作为服务器的通道实现
- // 初始化服务器连接队列大小，服务端处理客户端连接请求是顺序处理的,所以同一时间只能处理一个客户端连接。
- // 多个客户端同时来的时候,服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理
- .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
- .childHandler(new ChannelInitializer
() {//创建通道初始化对象，设置初始化参数 -
- @Override
- protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
- //对workerGroup的SocketChannel设置处理器
- ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
- }
- });
- System.out.println("netty server start。。");
- //绑定一个端口并且同步, 生成了一个ChannelFuture异步对象，通过isDone()等方法可以判断异步事件的执行情况
- //启动服务器(并绑定端口)，bind是异步操作，sync方法是等待异步操作执行完毕
- ChannelFuture cf = bootstrap.bind(9000).sync();
- //给cf注册监听器，监听我们关心的事件
-
- //对通道关闭进行监听，closeFuture是异步操作，监听通道关闭
- // 通过sync方法同步等待通道关闭处理完毕，这里会阻塞等待通道关闭完成
- cf.channel().closeFuture().sync();
- } finally {
- bossGroup.shutdownGracefully();
- workerGroup.shutdownGracefully();
- }
- }
- }
服务端所注册的自定义回调函数 NettyServerHandler：
- package com.niuh.netty.base;
-
- import io.netty.buffer.ByteBuf;
- import io.netty.buffer.Unpooled;
- import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
- import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
- import io.netty.util.CharsetUtil;
-
-
- public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
-
-
- @Override
- public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
- System.out.println("服务器读取线程 " + Thread.currentThread().getName());
- //Channel channel = ctx.channel();
- //ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站
- //将 msg 转成一个 ByteBuf，类似NIO 的 ByteBuffer
- ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
- System.out.println("客户端发送消息是:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
- }
-
-
- @Override
- public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
- ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloClient".getBytes(CharsetUtil.UTF_8));
- ctx.writeAndFlush(buf);
- }
-
-
- @Override
- public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
- ctx.close();
- }
- }
这个类继承了ChannelInboundHandlerAdapter的几个方法：
- channelRead方法：当客户端与服务端连通好之后，客户端发数据时，服务端会主动调用这个方法。
- channelReadComplete方法：数据处理完毕的方法，ctx.writeAndFlush（）就可以往客户端写回数据了。
客户端代码
- package com.niuh.netty.base;
-
- import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
- import io.netty.channel.ChannelFuture;
- import io.netty.channel.ChannelInitializer;
- import io.netty.channel.EventLoopGroup;
- import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
- import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
- import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
-
- public class NettyClient {
- public static void main(String[] args) throws Exception {
- //客户端需要一个事件循环组
- EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
- try {
- //创建客户端启动对象
- //注意客户端使用的不是ServerBootstrap而是Bootstrap
- Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
- //设置相关参数
- bootstrap.group(group) //设置线程组
- .channel(NioSocketChannel.class) // 使用NioSocketChannel作为客户端的通道实现
- .handler(new ChannelInitializer
() { - @Override
- protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
- //加入处理器
- ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
- }
- });
-
- System.out.println("netty client start。。");
- //启动客户端去连接服务器端
- ChannelFuture cf = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000).sync();
- //对通道关闭进行监听
- cf.channel().closeFuture().sync();
- } finally {
- group.shutdownGracefully();
- }
- }
- }
客户端自定义回调函数：
- package com.niuh.netty.base;
-
- import io.netty.buffer.ByteBuf;
- import io.netty.buffer.Unpooled;
- import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
- import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
- import io.netty.util.CharsetUtil;
-
- public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
-
-
- @Override
- public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
- ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloServer".getBytes(CharsetUtil.UTF_8));
- ctx.writeAndFlush(buf);
- }
-
- //当通道有读取事件时会触发，即服务端发送数据给客户端
- @Override
- public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
- ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
- System.out.println("收到服务端的消息:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
- System.out.println("服务端的地址： " + ctx.channel().remoteAddress());
- }
-
- @Override
- public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
- cause.printStackTrace();
- ctx.close();
- }
- }
与NettyServerHandler类似，其中的channelActive（）方法是当客户端与服务器连接完成时候就会执行的方法。
看完代码，我们发现Netty架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来，让你可以专 注业务的开发，而不需写一大堆类似NIO的网络处理操作。
ByteBuf 理解
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。
ByteBuf.png
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。
示例代码
- package com.niuh.netty.base;
-
- import io.netty.buffer.ByteBuf;
- import io.netty.buffer.Unpooled;
- import io.netty.util.CharsetUtil;
-
- public class NettyByteBuf {
- public static void main(String[] args) {
- // 创建byteBuf对象，该对象内部包含一个字节数组byte[10]
- // 通过readerindex和writerIndex和capacity，将buffer分成三个区域
- // 已经读取的区域：[0,readerindex)
- // 可读取的区域：[readerindex,writerIndex)
- // 可写的区域: [writerIndex,capacity)
- ByteBuf byteBuf = Unpooled.buffer(10);
- System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);
-
- for (int i = 0; i < 8; i++) {
- byteBuf.writeByte(i);
- }
- System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);
-
- for (int i = 0; i < 5; i++) {
- System.out.println(byteBuf.getByte(i));
- }
- System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);
-
- for (int i = 0; i < 5; i++) {
- System.out.println(byteBuf.readByte());
- }
- System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);
-
-
- //用Unpooled工具类创建ByteBuf
- ByteBuf byteBuf2 = Unpooled.copiedBuffer("hello,zhangsan!", CharsetUtil.UTF_8);
- //使用相关的方法
- if (byteBuf2.hasArray()) {
- byte[] content = byteBuf2.array();
- //将 content 转成字符串
- System.out.println(new String(content, CharsetUtil.UTF_8));
- System.out.println("byteBuf=" + byteBuf2);
-
- System.out.println(byteBuf2.readerIndex()); // 0
- System.out.println(byteBuf2.writerIndex()); // 12
- System.out.println(byteBuf2.capacity()); // 36
-
- System.out.println(byteBuf2.getByte(0)); // 获取数组0这个位置的字符h的ascii码，h=104
-
- int len = byteBuf2.readableBytes(); //可读的字节数 12
- System.out.println("len=" + len);
-
- //使用for取出各个字节
- for (int i = 0; i < len; i++) {
- System.out.println((char) byteBuf2.getByte(i));
- }
-
- //范围读取
- System.out.println(byteBuf2.getCharSequence(0, 6, CharsetUtil.UTF_8));
- System.out.println(byteBuf2.getCharSequence(6, 6, CharsetUtil.UTF_8));
- }
- }
- }
PS：以上代码提交在 Github ：https://github.com/Niuh-Study/niuh-netty.git
