Netty

令人脱发的java
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Netty介绍

  1. Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
  2. Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
  3. Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

优点

设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池.

使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。

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。

安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。

社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

线程模式介绍

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响。

目前存在的线程模型有：

传统阻塞 I/O 服务模型

Reactor 模式

根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同，有 3 种典型的实现

  • 单 Reactor 单线程
  • 单 Reactor 多线程
  • 主从 Reactor 多线程

Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从Reactor 多线程模型有多个 Reactor)

传统阻塞IO服务模式

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特点：

  1. 采用阻塞IO模式获取输入的数据
  2. 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理, 数据返回

问题分析：

  1. 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
  2. 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read 操作，造成线程资源浪费

Reactor 模式

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针对传统阻塞IO服务模式的两个缺点，解决方案：

  1. 基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)
  2. 基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理

IO复用线程池，就是Reactor模式基本设计思想

  1. Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)
  2. 服务器端程序处理传入的多个请求, 并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此Reactor模式也叫Dispatcher模式
  3. Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

单 Reactor 单线程

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方案说明：

  1. Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
  2. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发
  3. 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
  4. 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
  5. Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

方案优缺点

1) 优点： 模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成

2) 缺点： 性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈

3) 缺点： 可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障

4) 使用场景： 客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复

杂度 O(1) 的情况

单Reactor多线程

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方案说明：

  1. Reactor 对象通过select 监控客户端请求事件, 收到事件后，通过dispatch进行分发
  2. 如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件
  3. 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
  4. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务
  5. worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler
  6. handler收到响应后，通过send 将结果返回给client

优缺点：

1) 优点： 可以充分的利用多核cpu 的处理能力

2) 缺点： 多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在

单线程运行， 在高并发场景容易出现性能瓶颈.

主从 Reactor 多线程

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方案说明:

  1. Reactor主线程 MainReactor 对象通过select 监听连接事件, 收到事件后，通过Acceptor 处理连接事件
  2. 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给SubReactor
  3. subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理
  4. 当有新事件发生时， subreactor 就会调用对应的handler处理
  5. handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理
  6. worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果
  7. handler 收到响应的结果，在通过send将结果返回给client
  8. Reactor主线程可以对应多个Reactor子线程，即MainReactor可以关联多个SubReactor.

方案优缺点：

1) 优点： 父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线

程完成后续的业务处理。

2) 优点： 父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线

程，子线程无需返回数据。

3) 缺点： 编程复杂度较高

Netty模型

工作原理示意图-简单版：

image-20240104130637842

Netty主要基于主从Reactor多线程模型

对上图说明：

  • BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accecpt
  • 当接收到Accept事件，获取到对应的SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel并注册到Worker 线程(事件循环), 并进行维护
  • 当Worker线程监听到selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理(就由handler)， 注意handler 已经加入到通道

工作原理示意图-进阶版：

image-20240104130853053

工作原理示意图-详细版：

image-20240104130946571

对上图小结：

  1. Netty抽象出两组线程池 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组, 这个组中含有多个事件循环 ，每一个事件循环是 NioEventLoop
  4. NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯
  5. NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
  6. 每个Boss NioEventLoop 循环执行的步骤有3步

轮询accept 事件

处理accept 事件 , 与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个worker NIOEventLoop 上的 selector

处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks

  1. 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤

    1. 轮询read、write事件
    2. 处理IO事件，即read、write事件，在对应的NIOSocketChannel处理
    3. 处理队列的任务，即runAllTask

  2. 每个Worker NioEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道)，pipeline中包含了channel，即通过pipeline可以获取对应的通道，管道中维护了很多的处理器。

Netty代码演示

服务器端：

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
​
          //创建BossGroup 和 workerGroup
        /**
         * 创建两个线程组
         * bossGroup 只处理连接请求。真正的 和客户端业务处理 会交给workerGroup完成
         * 两个都是无限循环
         */
          EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
          EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try{
          //创建服务端启动对象，设置参数
          ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
          //链式编程
          serverBootstrap.group(bossGroup,workerGroup) //设置两个线程组
                  .channel(NioServerSocketChannel.class)//NioServerSocketChannel作为服务器的通道实现
                  .option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128) //设置线程队列得到连接个数
                  .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)//设置保持活动连接状态
                  .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //创建一个通道测试对象
                      @Override
                      protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                          ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler()); //给通道设置处理器
                      }
                  });
          System.out.println("服务器准备好了");
          //绑定端口 生成了一个channelFuture对象
          ChannelFuture future = serverBootstrap.bind(6668).sync();
          future.channel().closeFuture().sync();
      }finally {
          bossGroup.shutdownGracefully();
          workerGroup.shutdownGracefully();
      }
    }

public class NettyServerHandler  extends ChannelInboundHandlerAdapter {
​
​
    //数据读取完毕
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
     //将数据写入缓存并刷新
        //一般对这个发送的数据 进行编码
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端",CharsetUtil.UTF_8));
​
    }
​
    /**
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @param msg 客户端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    //从客户端读取实际的数据
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
​
        System.out.println("服务器读取的线程"+Thread.currentThread().getName());
        Channel channel = ctx.channel();
        ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链表 出站入栈
​
        //将msg转换为一个 ByteBuf
        ByteBuf byteBuf=(ByteBuf) msg;
        System.out.println("客户端发送的消息是："+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
​
​
    }
​
​
    //处理异常 一般是要关闭通道
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

客户端：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //客户端需要一个时间循环组
        NioEventLoopGroup group  = new NioEventLoopGroup();
​
     try{
         //创建客户端启动对象 注意客户端是 Bootstrap
         Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
         //设置相关参数
         bootstrap.group(group)  //设置线程组
                 .channel(NioSocketChannel.class) //设置客户端通道的实现类
                 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
​
                     @Override
                     protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                         ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());//加入自己的处理器
                     }
                 });
         System.out.println("客户端OK");
         //启动客户端去连接服务器
         ChannelFuture future = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6668).sync();
         future.channel().closeFuture().sync();
     }finally {
         group.shutdownGracefully();
     }
    }

public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("client"+ctx);
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello server",CharsetUtil.UTF_8));
    }
​
    //当通道有读取事件的时候 会触发
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf byteBuf=(ByteBuf) msg;
​
        System.out.println("服务器回复的消息"+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("服务器的地址"+ctx.channel().remoteAddress());
    }
​
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}
​

bootgroup和workergroup含有的子线程（NIOEventLoop）的个数 默认是CPU数*2

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任务队列中的Task有3中使用场景

1、用户自定义普通任务 异步执行-》提交该channel对应的NIOEventLoop的taskQueue中

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2、用户自定义定时任务 -》该任务提交到scheduleTaskQueue中

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3、非当前Reactor线程调用Channel的各种方法

总结：

  1. Netty 抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负责网络读写操作。

  2. NioEventLoop 表示一个不断循环执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个selector，用于监听绑定在其上的 socket 网络通道。

  3. NioEventLoop 内部采用串行化设计，从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终由线程 NioEventLoop 负

    1. NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
    2. 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue
    3. 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel
    4. 每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline
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