Netty学习总结

Netty学习总结

文章目录

• • 1 Netty 概述
  • • 1.1 Netty是什么
    • 1.2 为什么使用Netty？
    • 1.3 Netty的版本说明
    • 1.4 Netty的地位
  • 2 Netty高性能框架设计
  • • 2.1 线程模型基本介绍
    • 2.2 传统阻塞I/O服务模型
    • 2.3 Reactor模式
    • • 2.3.1 Reactor模式中核心组成：
      • 2.3.2 Reactor模式分类
      • 2.3.3 单Reactor 单线程
      • 2.3.4 单Reactor多线程
      • 2.3.5 主从Reactor多线程
      • 2.3.6 Reactor模式小结
  • 3 Netty模型
  • • 3.1 主从Reactor进阶
    • 3.2 再进阶版
    • 3.3 Netty模型
    • 3.4 Netty快速入门实例-TCP服务
    • • 3.4.1 导入依赖
      • 3.4.2 服务端代码实现
      • 3.4.3 服务端Handler代码实现
      • 3.4.4 客户端实现
      • 3.4.5 客户端Handler代码实现
      • 3.4.6 结果展示

1 Netty 概述 1.1 Netty是什么

Netty是一个异步的、基于事件驱动的的网络应用框架，用于快速开发可维护、高性能的网络服务器和客户端。

1.2 为什么使用Netty？

这里从两个方面讲述，首先就是原生NIO存在的一些问题：

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. JDKNIO的Bug：例如臭名昭著的EpollBug，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

接着就是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阻塞和非阻塞Socket的统一API；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

1.3 Netty的版本说明

• netty版本分为netty3.x和netty4.x、netty5.x
• 因为Netty5出现重大bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本

1.4 Netty的地位

Netty 在 Java 网络应用框架中的地位就好比：Spring 框架在 JavaEE 开发中的地位

以下的框架都使用了 Netty，因为它们有网络通信需求！

• Cassandra - nosql 数据库
• Spark - 大数据分布式计算框架
• Hadoop - 大数据分布式存储框架
• RocketMQ - ali 开源的消息队列
• ElasticSearch - 搜索引擎
• gRPC - rpc 框架
• Dubbo - rpc 框架
• Spring 5.x - flux api 完全抛弃了 tomcat ，使用 netty 作为服务器端
• Zookeeper - 分布式协调框架

2 Netty高性能框架设计 2.1 线程模型基本介绍

目前存在的线程模型有：

1. 传统阻塞I/O服务模型
2. Reactor模式
3. 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)

2.2 传统阻塞I/O服务模型

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read *** 作，造成线程资源浪费

2.3 Reactor模式

针对传统阻塞I/O服务模型的2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， *** 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，如图

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

2.3.1 Reactor模式中核心组成：

1）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；
2）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 *** 作。

2.3.2 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

2.3.3 单Reactor 单线程

原理图

方案说明

• Select是NIO中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

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 *** 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
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：

1. 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
2. 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

2.3.4 单Reactor多线程

原理图

对上图的小结

• 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

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

2.3.5 主从Reactor多线程

原理图

上图的方案说明

• 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
• Reactor主线程可以对应多个Reactor子线程,即MainRecator可以关联多个SubReactor

方案优缺点说明
优点：

1. 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. 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

2.3.6 Reactor模式小结

3种模式用生活案例来理解

• 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
• 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
• 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
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

3 Netty模型 3.1 主从Reactor进阶

Netty主要是基于主从Reactor多线程模式做了一定的改进，其中主从Reactor都有单一的一个变成了多个。下面是简单的改进图。

• 如图所示，增加了BossGroup来维护多个主Reactor，主Reactor还是只关注连接的Accept；增加了WorkGroup来维护多个从Reactor，从Reactor将接收到的请求交给Handler进行处理。
• 在主Reactor中接收到Accept事件，获取到对应的SocketChannel，Netty会将它进一步封装成NIOSocketChannel对象，这个封装后的对象还包含了该Channel对应的SelectionKey、通信地址等详细信息
• Netty会将装个封装后的Channel对象注册到WorkerGroup中的从Reactor中。
• 当WorkerGroup中的从Reactor监听到事件后，就会将之交给与此Reactor对应的Handler进行处理。

3.2 再进阶版

工作原理示意图2-进阶版

• Netty将Selector以及Selector相关的事件及任务封装了NioEventLoop ，这样BossGroup就可以通过管理NioEventLoop去管理各个Selector。
• 同时，Netty模型中主要存在两个大的线程池组BossGroup 和WorkerGroup ，用于管理主Reactor线程和从Reactor线程。

3.3 Netty模型

对上图的说明小结

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BossNioEventLoop循环执行的步骤有3步

   1. 轮询accept事件
   2. 处理accept事件,与client建立连接,生成NioScocketChannel,并将其注册到某个workerNIOEventLoop上的selector
   3. 处理任务队列的任务，即runAllTasks

7. 每个WorkerNIOEventLoop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NioScocketChannel处理
   3. 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中维护了一个ChannelHandlerContext链表，而ChannelHandlerContext则保存了Channel相关的所有上下文信息，同时关联一个ChannelHandler对象。如图所示，Channel和pipeline一一对应，ChannelHandler和ChannelHandlerContext一一对应。
   

3.4 Netty快速入门实例-TCP服务

实例要求：
1）Netty服务器在6668端口监听，客户端能发送消息给服务器"hello,服务器~"
2）服务器可以回复消息给客户端"hello,客户端~"
3）目的：对Netty线程模型有一个初步认识,便于理解Netty模型理论

3.4.1 导入依赖

	io.netty
    netty-all
    4.1.39.Final

3.4.2 服务端代码实现

NettyServer

package com.zjw;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;


public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建BossGroup 和 WorkerGroup
        //1、创建两个线程组，bossGroup 和 workerGroup
        //2、bossGroup 只是处理连接请求，真正的和客户端业务处理，会交给 workerGroup 完成
        //3、两个都是无限循环
        //4、workerGroup 含有的子线程（NioEventLoop）个数为实际 cpu 核数 * 2
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup worderGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            //创建服务器端的启动对象，配置参数
            ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();

            //使用链式编程来进行设置，配置
            bootstrap.group(bossGroup, worderGroup) //设置两个线程组
                    .channel(NioServerSocketChannel.class) //使用 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
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) //设置保持活动连接状态
                    .childHandler(new ChannelInitializer() { //为accept channel的pipeline预添加的handler
                        //给 pipeline 添加处理器，每当有连接accept时，就会运行到此处。
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            socketChannel.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                        }
                    }); //给我们的 workerGroup 的 EventLoop 对应的管道设置处理器

            System.out.println("........服务器 is ready...");
            //绑定一个端口并且同步，生成了一个ChannelFuture 对象
            //启动服务器（并绑定端口）
            ChannelFuture future = bootstrap.bind(6668).sync();

            //对关闭通道进行监听
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            worderGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

3.4.3 服务端Handler代码实现

NettyServerHandler

package com.zjw;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.Channel;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.util.CharsetUtil;

public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("服务器读取线程：" + Thread.currentThread().getName());
        System.out.println("server ctx = " + ctx);
        //看看Channel和Pipeline的关系
        Channel channel = ctx.channel();
        ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是个双向链表，出栈入栈

        //将msg转成一个ByteBuf，比NIO的ByteBuffer性能更高
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        System.out.println("客户端发送的消息是：" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("客户端地址：" + ctx.channel().remoteAddress());
    }

    //数据读取完毕
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //它是 write + flush，将数据写入到缓存buffer，并将buffer中的数据flush进通道
        //一般讲，我们对这个发送的数据进行编码
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //处理异常，一般是关闭通道
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

3.4.4 客户端实现

NettyClient

package com.zjw;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;


public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //客户端需要一个事件循环组
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //创建客户端启动对象
            //注意：客户端使用的不是 ServerBootStrap 而是 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（使用反射）
                    .handler(new ChannelInitializer() {

                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            socketChannel.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端
            //关于 channelFuture 涉及到 netty 的异步模型
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6668).sync();
            //给关闭通道进行监听
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

3.4.5 客户端Handler代码实现

NettyClientHandler

package com.zjw;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.CharsetUtil;

public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("client: " + ctx);
        //发送消息给服务端
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, server", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf buf = (ByteBuf)msg;
        System.out.println("服务器回复的消息：" + buf.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();
    }
}

3.4.6 结果展示

服务端结果：

客户端结果：