Netty核心原理

1. Netty介绍

1.1 原生NIO存在的问题

  1. NIO的类库和API使用繁杂
  2. 需要具备其他额外的技能,如java多线程编程等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,半包读写,网络拥塞和异常流等情况的处理
  4. JDK NIO的BUG:Epoll BUG,它会导致Selector空轮询,最终导致CPU 100%。直到JDK 1.7版本问题仍旧存在,没有被根本解决。

1.2 概述

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。Netty是一个基于NIO的网络编程框架,使用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。知名的Elasticsearch、Dubbo框架内部都采用了Netty。

Netty具备如下优点:

  1. 设计优雅,提供阻塞和非阻塞的Socket;提供灵活可扩展的事件模型;提供高度可定制的线程模型。
  2. 具备更高的性能和更大的吞吐量,使用零拷贝技术最小化不必要的内存复制
  3. 提供安全传输特性
  4. 支持多种主流协议,预置多种编解码功能,支持用户开发私有协议

2. 线程模型

2.1 传统阻塞I/O服务模型

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,业务处理和数据返回工作。

存在问题:

  1. 当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大的系统资源
  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

2.2 Reactor模型

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,服务端程序处理传入的多个请求,将他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复用监听模式,收到事件后,分发给某个线程,这点就是网络服务器高并发处理关键。

1)单Reactor单线程

  • Selector是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Selector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
  • Handler会完成Read->业务处理->Send的完整业务流程

优点:

  • 模型简单,没有多线程竞争通信的问题

缺点:

  • 性能问题:只有一个线程,无法完全发挥出多核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:线程意外终止或进入死循环,会导致整个系统通信模块不可用

2)单Reactor多线程

  • Reactor对象通过selector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,则由Acceptor通过accept处理连接请求
  • 如果不是连接请求,则由reactor分发调用连接相应的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线程池来处理

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

3)主从Reactor多线程

  • Reactor主线程MainReactor对象通过selector监听客户端连接事件,收到事件后,通过Acceptor处理客户端连接事件
  • 当Acceptor处理完连接事件后,MainReactor将连接分为SubReactor
  • SubReactor将连接加入到自己的连接队列进行监听,并创建Handler对各种事件进行处理
  • 当连接上有新事件发生的时候,SubReactor就会调用对应的Handler处理
  • Handler通过read从连接上读取请求数据,将请求数据分发给Worker线程池就绪业务处理。

优点:

  • MainReactor线程与SubReactor线程的数据交互简单职责明确,MainReactor线程只需要接收新连接,SubReactor线程完成后续的业务处理
  • MainReactor线程与SubReactor线程的数据交互简单,MainReactor线程只需要把新连接传给SubReactor线程,SubReactor线程无需返回数据
  • 多个SubReactor线程能够应对更高的并发请求

缺点:

  • 这种模式编程复杂度较高。

这种模式被广泛使用,包括Nginx、Memcached、Netty等。这种模式也叫做1+M+N线程模式,即使用该模式开发的服务器包含1个(或多个,1只是表示相对较少)连接建立线程+M个IO线程+N个业务处理线程。

2.3 Netty线程模型

Netty中我们使用最多的还是主从Reactor线程模型。

  • BossGroup中的线程专门负责和客户端建立连接
  • WorkerGroup中的线程负责处理连接上的读写

3 入门案例

  1. 引入依赖
<dependency>
<groupId>io.netty</groupId>
<artifactId>netty-all</artifactId>
<version>4.1.72.Final</version>
</dependency>
  1. 服务端代码
public class DemoNettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
EventLoopGroup bossGroup=new NioEventLoopGroup(1);
//不填写线程数,默认是2*处理器线程数
EventLoopGroup workerGroup=new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap=new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup,workerGroup)
//设置服务端通道实现
.channel(NioServerSocketChannel.class)
//设置线程队列中等待连接个数
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)
//设置活跃状态,child是设置wokerGroup
.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,Boolean.TRUE)
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
//创建一个通道初始化对象
@Override
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
socketChannel.pipeline().addLast(new DemoNettyServerHandle());
}
});
//启动服务端并绑定端口,将异步改为同步
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(9999).sync();
System.out.println("服务端启动成功");
//关闭通道(不是真正意义上的关闭,而是监听通道关闭状态)
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
public class DemoNettyServerHandle implements ChannelInboundHandler {
@Override
public void channelRegistered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } /**
* 通道读取事件
* @param channelHandlerContext
* @param o
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Object o) throws Exception {
ByteBuf byteBuf=(ByteBuf)o;
System.out.println("客户端发来消息:"+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
} /**
* 读取完毕事件
* @param channelHandlerContext
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception {
channelHandlerContext.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("你好,我是Netty服务端",CharsetUtil.UTF_8));
} @Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Object o) throws Exception { } @Override
public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void handlerAdded(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } /**
* 异常发生事件
* @param channelHandlerContext
* @param throwable
* @throws Exception
*/
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Throwable throwable) throws Exception {
throwable.printStackTrace();
channelHandlerContext.close();
}
}
  1. 客户端代码
public class DemoNettyClient {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
EventLoopGroup group=new NioEventLoopGroup();
Bootstrap bootstrap=new Bootstrap();
bootstrap.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
socketChannel.pipeline().addLast(new DemoNettyLientHandle());
}
});
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9999).sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
group.shutdownGracefully();
}
}
public class DemoNettyLientHandle implements ChannelInboundHandler {
@Override
public void channelRegistered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } /**
* 通道就绪事件
* @param channelHandlerContext
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception {
channelHandlerContext.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("你好,我是客户端",CharsetUtil.UTF_8));
} @Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Object o) throws Exception {
ByteBuf byteBuf=(ByteBuf)o;
System.out.println("服务端发来消息:"+byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
} @Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Object o) throws Exception { } @Override
public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void handlerAdded(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext channelHandlerContext) throws Exception { } @Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Throwable throwable) throws Exception { }
}

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