1 Netty基本介绍
1.1 回顾一下 Java 中的 I/O模型:BIO、NIO、AIO
I/O 模型简单的理解:就是
用什么样的通道进行数据的发送和接收
,很大程度上决定了程序通信的性能。Java共支持3种网络编程模型/IO模式:
BIO
、NIO
、AIO
。Java BIO
:同步并阻塞(传统阻塞型)
,服务器实现模式为一个连接对应一个线程
,即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。
Java NIO
:同步非阻塞
,服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)
,即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。
Java AIO(NIO.2)
:异步非阻塞
,AIO 引入异步通道
的概念,采用了Proactor 模式
,简化了程序编写,有效的请求才启动线程
,它的特点是:先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理,一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。
BIO、NIO、AIO适用场景分析
- BIO方式适用于
连接数目比较小且固定的架构
,这种方式对服务器资源要求比较高,并发局限于应用中,JDK1.4以前的唯一选择,但程序简单易理解。 - NIO方式适用于
连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构
,比如聊天服务器,弹幕系统,服务器间通讯等。编程比较复杂,JDK1.4
开始支持。 - AIO方式适用于
连接数目多且连接比较长(重操作)的架构
,比如相册服务器,充分调用OS参与并发操作,编程比较复杂,JDK7
开始支持。
1.2 什么是Netty?为什么需要Netty?
什么是Netty
Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架,现为 Github上的独立项目。
Netty 是一个
异步的
、基于事件驱动
的网络应用框架
,用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
。相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程。Netty主要针对在
TCP协议下
,面向Clients端的高并发应用,或者Peer-to-Peer场景下的大量数据持续传输
的应用。
Netty本质是一个
NIO框架
,适用于服务器通讯
相关的多种应用场景。要透彻理解Netty , 需要先学习 NIO , 这样我们才能阅读 Netty 的源码。
原生NIO存在的问题
- NIO 的类库和 API 繁杂,使用麻烦:需要熟练掌握
Selector
、ServerSocketChannel
、SocketChannel
、ByteBuffer
等。 - 需要具备其他的额外技能:要熟悉 Java 多线程编程,因为 NIO 编程涉及到 Reactor模式,你必须对多线程和网络编程非常熟悉,才能编写出高质量的 NIO 程序。
- 开发工作量和难度都非常大:例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
- JDK NIO 的 Bug:例如臭名昭著的
Epoll Bug
,它会导致 Selector 空轮询,最终导致 CPU 100%
。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在,没有被根本解决。
这也就是问什么还需要Netty的原因
Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装,解决了上述问题。
- 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
1.3 Netty的应用场景
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 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信,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。
游戏行业
- 无论是手游服务端还是大型的网络游戏,Java 语言得到了越来越广泛的应用;
- Netty 作为高性能的基础通信组件,提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈,方便定制和开发私有协议栈,账号登录服务器;
- 地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。
2 传统阻塞 I/O 服务模型 & Reactor 模式
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 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
2.1 传统阻塞 I/O 服务模型
工作原理图:黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API)
模型特点
- 采用阻塞IO模式获取输入的数据
- 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
- 当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大系统资源
- 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
2.2 Reactor 模式
建议大家先学习一下NIO:https://blog.csdn.net/qq_36389060/category_11777885.html
针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点,解决方案:
- 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
- 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任务分配给线程进行处理,一个线程可以处理多个连接的业务。
I/O 复用结合线程池,就是Reactor 模式基本设计思想
- Reactor 对应的叫法:
- 反应器模式
- 分发者模式(Dispatcher)
- 通知者模式(notifier)
- Reactor 模式
- 一个或多个请求,同时传递给
服务处理器(基于事件驱动)
; - 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;
- 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
。
- 一个或多个请求,同时传递给
Reactor 模式中 核心组成
- Reactor:Reactor 在一个单独的线程中运行,
负责监听和分发事件
,分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员,它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人; - Handlers:处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件,类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作。
Reactor 模式分类
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
2.2.1 单 Reactor 单线程
方案说明
- 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
- 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
- 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
- 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
- Handler 会完成 Read ==》 业务处理 ==》Send 的完整业务流程
方案优缺点分析
服务器端用 一个线程
通过 多路复用
搞定所有的 IO 操作(包括连接,读、写等),编码简单,清晰明了,但是如果客户端连接数量较多,将无法支撑,前面的NIO案例就属于这种模型。
- 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
- 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
- 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
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。
2.2.2 单 Reactor 多线程
方案说明
- 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
- 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
- 如果不是连接请求,则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
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- handler收到响应后,通过send 将结果返回给 client
方案优缺点分析
- 优点:可以充分的利用多核cpu 的处理能力。
- 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。
2.2.3 主从 Reactor 多线程
方案说明
针对单 Reactor 多线程模型中,Reactor 在单线程中运行,高并发场景下容易成为性能瓶颈,可以让Reactor 在多线程中运行。
- 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
- 当 Acceptor 处理连接事件后,MainReactor 将连接分配给SubReactor
- 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
- 当有新事件发生时, subreactor 就会调用对应的 handler 处理
- handler 通过read 读取数据,分发给后面的worker 线程处理
- worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理,并返回结果
方案优缺点说明
- 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。
- 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。
- 缺点:编程复杂度较高
结合实例:这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程,Netty 主从多线程模型的支持
3 Netty 线程模型
Netty 主要基于 主从 Reactors 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。
Netty 线程模型简要概述
- 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
Netty 线程模型详细说明
- Nett y抽象出两组线程池: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
事件循环组
,这个组中含有多个事件循环
,每一个事件循环是 NioEventLoop - 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。 - NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop
- 每个Boss Group 中的 NioEventLoop 循环执行的步骤:
- 1)轮询accept 事件
- 2)处理accept 事件,与client建立连接 , 生成
NioScocketChannel
,并将其注册 Worker Group 上的某个 NIOEventLoop 上的 selector
- 3)处理任务队列的任务,即 runAllTasks
- 每个 Worker Group 中的 NIOEventLoop 循环执行的步骤:
- 1)轮询 read/write 事件
- 2)处理 I/O 事件, 即 read/write 事件,在对应的 NioScocketChannel 上处理
- 3)处理任务队列的任务 , 即 runAllTasks
- 每个Worker NIOEventLoop 处理业务时,会使用 pipeline(管道)。pipline中包含了 channel,即通过pipline可以获取到对应的 channel,并且pipline维护了很多的 handler(处理器)来对我们的数据进行一系列的处理。
- handler(处理器) 有Netty内置的,我们也可以自己定义。