netty-概述

1.总体概述

1.1 描述

Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients.

asynchronous 异步的
event-driven 事件驱动
network application framework 网络应用框架
high performance 高性能的

1.2 架构

1.3 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：
- 详细的 javaDoc，用户指南和示例
- 没有其他依赖
高性能、高吞吐量；延迟低；资源消耗少；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

1.4 版本说明

版本有 3.x ,4.x, 5.x
3.x 太旧，5.x 出现重大bug已被废弃，推荐使用 Netty4.x 的稳定版

2.线程模型概述

2.1 基本线程模型

参考《scalable io in java》

目前存在的线程模型有：
- 传统阻塞 I/O 服务模型
- Reactor 模式
  - 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）

2.1.1 传统阻塞 I/O 服务模型

工作原理图

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

2.1.2 Reactor 模式

（也叫反应器模式，分发者模式（Dispatcher），通知者模式（notifier））

针对传统阻塞 l/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。
工作原理图

说明
- 一个或多个输入同时传递给服务处理器的一种模式，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 - dispatcher
- 使用 IO 复用监听事件，收到事件后分发给不同线程，这是网络处理高并发关键
核心注册部分
- Reactor: 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给当的处理程序来对 IO 事件做出反应
- Handlers：处理程序执行I/0事件要完成的实际事件
- 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

2.1.2.1 单 Reactor 模式

工作原理图

方案说明
- Select是前面 l/O 复用模型介绍的标准网络编程APl
- 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
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

2.1.2.2 单Reactor多线程

工作原理图

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，则由 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
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.

2.1.2.3 主从Reactor多线程

工作原理图

方案说明
- 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
- handler 收到响应的结果后，再通过 send 将结果返回给 client
- 一个 MainReactor 可以关联多个 SubReactor
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
使用：
- 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

2.1.3 netty 线程模型

2.2 netty 线程模型

2.2.1 netty 线程模型

工作原理图-简易版

工作原理图-进阶版

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

2.2.2 netty 线程模型——详细版

工作原理图

说明
- 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
- 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 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
- 每个 Worker NioEventLoop循环执行的步骤
  - 轮询 read，write 事件
  - 处理 i/o 事件，即 read，write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
  - 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），pipeline中包含了channel，即通过pipeline可以获取到对应通道，管道中维护了很多的处理器

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