netty基础_01.netty入门基础理论知识

netty基础_01.netty入门基础理论知识

• ​​Netty 概述​​

• ​​原生 NIO 存在的问题​​
• ​​Netty 官网说明​​
• ​​Netty 的优点​​
• ​​Netty 版本说明​​

• ​​Netty 高性能架构设计​​

• ​​线程模型基本介绍​​
• ​​传统阻塞 I/O 服务模型​​

• ​​工作原理图​​
• ​​模型特点​​
• ​​问题分析​​

• ​​Reactor 模式​​

• ​​针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：​​
• ​​I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图​​
• ​​Reactor 模式中核心组成​​
• ​​Reactor 模式分类​​

• ​​单 Reactor 单线程​​

• ​​方案说明​​
• ​​方案优缺点分析​​

• ​​单 Reactor 多线程​​

• ​​方案说明​​
• ​​方案优缺点分析​​

• ​​主从 Reactor 多线程​​

• ​​工作原理图​​
• ​​Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解​​
• ​​方案优缺点说明​​

• ​​Reactor 模式小结​​

• ​​3 种模式用生活案例来理解​​
• ​​Reactor 模式具有如下的优点​​

• ​​Netty 模型​​

• ​​工作原理示意图1 - 简单版​​
• ​​工作原理示意图2 - 进阶版​​
• ​​工作原理示意图3 - 详细版​​

Netty 概述

原生 NIO 存在的问题

1. ​​NIO​​​ 的类库和 ​​API​​​ 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 ​​Selector​​​、​​ServerSocketChannel​​​、​​SocketChannel​​​、​​ByteBuffer​​等。
2. 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。
3. 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。
4. ​​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 ​​CPU100%​​​。直到 ​​JDK1.7​​ 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

Netty 官网说明

官网：https://netty.io/

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

Netty 的优点

​​Netty​​​ 对 ​​JDK​​​ 自带的 ​​NIO​​​ 的 ​​API​​ 进行了封装，解决了上述问题。

1. 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。
2. 使用方便：详细记录的 ​​Javadoc​​​，用户指南和示例；没有其他依赖项，​​JDK5（Netty3.x）​​​或 ​​6（Netty4.x）​​就足够了。
3. 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。
4. 安全：完整的 ​​SSL/TLS​​​ 和 ​​StartTLS​​ 支持。
5. 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。

Netty 版本说明

1. ​​Netty​​​ 版本分为 ​​Netty 3.x​​​ 和 ​​Netty 4.x​​​、​​Netty 5.x​​
2. 因为 ​​Netty 5​​​ 出现重大 ​​bug​​​，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是 ​​Netty 4.x​​的稳定版本
3. 目前在官网可下载的版本 ​​Netty 3.x​​​、​​Netty 4.0.x​​​ 和 ​​Netty 4.1.x​​
4. 在本套课程中，我们讲解 ​​Netty4.1.x​​ 版本
5. ​​Netty​​ 下载地址：https://bintray.com/netty/downloads/netty/

Netty 高性能架构设计

线程模型基本介绍

1. 不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清 ​​Netty​​​ 线程模式，我们来系统的讲解下各个线程模式，最后看看 ​​Netty​​ 线程模型有什么优越性。
2. 目前存在的线程模型有：传统阻塞 ​​I/O​​​ 服务模型 和​​Reactor​​ 模式
3. 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

4. ​​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 I/O 服务模型

工作原理图

1. 黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程
2. 白色的框表示方法（​​API​​）

模型特点

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 Handler对象中的​​read​​ 操作，导致上面的处理线程资源浪费

Reactor 模式

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​​ServiceHandler​​，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​​ 在不同书中的叫法：

1. 反应器模式
2. 分发者模式（Dispatcher）
3. 通知者模式（notifier）
4. 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。（解决了当并发数很大时，会创建大量线程，占用很大系统资源）
5. 基于 ​​I/O​​ 复用模型：多个客户端进行连接，先把连接请求给​​ServiceHandler​​。多个连接共用一个阻塞对象​​ServiceHandler​​。假设，当C1连接没有数据要处理时，C1客户端只需要阻塞于​​ServiceHandler​​，C1之前的处理线程便可以处理其他有数据的连接，不会造成线程资源的浪费。当C1连接再次有数据时，​​ServiceHandler​​根据线程池的空闲状态，将请求分发给空闲的线程来处理C1连接的任务。（解决了线程资源浪费的那个问题）

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图

对上图说明：

1. ​​Reactor​​ 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器（ServiceHandler）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

原先有多个Handler阻塞，现在只用一个ServiceHandler阻塞

Reactor 模式中核心组成

1. ​​Reactor（也就是那个ServiceHandler）​​​：​​Reactor​​​ 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理线程来对 ​​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；
2. ​​Handlers（处理线程EventHandler）​​​：处理线程执行 ​​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线程来响应 ​​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

1. 单 ​​Reactor​​ 单线程
2. 单 ​​Reactor​​ 多线程
3. 主从 ​​Reactor​​ 多线程

单 Reactor 单线程

原理图，并使用 ​​NIO​​ 群聊系统验证

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

结合实例：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。

方案优缺点分析

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

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. 如果是建立连接请求，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
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（也就是说连接已经建立，后续客户端再来请求，那基本就是数据请求了，直接调用之前为这个连接创建好的handler来处理）
4. ​​handler​​​ 只负责响应事件，不做具体的业务处理（这样不会使handler阻塞太久），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。【业务处理是最费时的，所以将业务处理交给线程池去执行】
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​​

方案优缺点分析

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​​​ 承担所有的事件的监听和响应，它是单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈。也就是说​​Reactor​​主线程承担了过多的事

主从 Reactor 多线程

工作原理图

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

SubReactor是可以有多个的，如果只有一个SubReactor的话那和​​单 Reactor 多线程​​就没什么区别了。

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​​​ 收到响应的结果后，再通过 ​​send​​​ 将结果返回给 ​​client​​
8. ​​Reactor​​​ 主线程可以对应多个 ​​Reactor​​​ 子线程，即 ​​MainRecator​​​ 可以关联多个 ​​SubReactor​​

Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解

方案优缺点说明

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

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

Reactor 模式小结

3 种模式用生活案例来理解

1. 单 ​​Reactor​​ 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服
2. 单 ​​Reactor​​​ 多线程，​​1​​ 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
3. 主从 ​​Reactor​​ 多线程，多个前台接待员，多个服务生

Reactor 模式具有如下的优点

1. 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 ​​Reactor​​ 本身依然是同步的（比如你第一个SubReactor阻塞了，我可以调下一个 SubReactor为客户端服务）
2. 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
3. 扩展性好，可以方便的通过增加 ​​Reactor​​​ 实例个数来充分利用 ​​CPU​​ 资源
4. 复用性好，​​Reactor​​ 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

Netty 模型

讲解netty的时候采用的是先写代码体验一下，再细讲里面的原理。前面看不懂的可以先不用纠结，先往后面看，后面基本都会讲清楚

工作原理示意图1 - 简单版

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

对上图说明

1. ​​BossGroup​​​ 线程维护 ​​Selector​​​，只关注 ​​Accecpt​​
2. 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
3. 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2 - 进阶版

​​BossGroup​​​有点像主​​Reactor​​​ 可以有多个，​​WorkerGroup​​​则像​​SubReactor​​一样可以有多个。

工作原理示意图3 - 详细版

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 ​​BossGroup​​​下面的​​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 ​​workerGroup​​​ ​​NIOEventLoop​​​ 上的 ​​Selector​​
• 继续处理任务队列的任务，即 ​​runAllTasks​​

7. 每个 ​​WorkerGroup​​​​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​​

8. 每个 ​​Worker​​​ ​​NIOEventLoop​​​ 处理业务时，会使用 ​​pipeline​​​（管道），​​pipeline​​​ 中包含了 ​​channel（通道）​​​，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。（这个点目前只是简单的讲，后面重点说）