【Netty】架构

https://www.cnblogs.com/mic112/p/15527384.html  推荐(线程模型、编码样例、内部细节等)

史上最通俗Netty入门长文:基本介绍、环境搭建、动手实战  https://segmentfault.com/a/1190000038211285?utm_source=tag-newest

阿里技术-那些年一起背过的面试题  https://mp.weixin.qq.com/s/JZE22Ndvo0tWC2P-MD0ROg

如何用netty写一个高性能分布式服务框架 https://segmentfault.com/a/1190000040230856

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/Netty%20%e6%a0%b8%e5%bf%83%e5%8e%9f%e7%90%86%e5%89%96%e6%9e%90%e4%b8%8e%20RPC%20%e5%ae%9e%e8%b7%b5-%e5%ae%8c/02%20%20%e7%ba%b5%e8%a7%88%e5%85%a8%e5%b1%80%ef%bc%9a%e6%8a%8a%e6%8f%a1%20Netty%20%e6%95%b4%e4%bd%93%e6%9e%b6%e6%9e%84%e8%84%89%e7%bb%9c.md    推荐

Netty 李林峰系列专题  https://www.infoq.cn/profile/46034E8B91DB3A/publish


Netty

一个Java NIO技术的开源异步事件驱动的网络编程框架,用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。可以将Netty理解为:一个将Java NIO进行了大量封装,并大大降低Java NIO使用难度和上手门槛的超牛逼框架。

Netty的特点:

  • 1)高并发:基于 NIO(Nonblocking IO,非阻塞IO)开发,对比于 BIO(Blocking I/O,阻塞IO),他的并发性能得到了很大提高;
  • 2)传输快:传输依赖于零拷贝特性,尽量减少不必要的内存拷贝,实现了更高效率的传输;
  • 3)封装好:封装了 NIO 操作的很多细节,提供了易于使用调用接口。

Netty的优势:

  • 1)使用简单:封装了 NIO 的很多细节,使用更简单;
  • 2)功能强大:预置了多种编解码功能,支持多种主流协议;
  • 3)扩展性强:可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活地扩展;
  • 4)性能优异:通过与其他业界主流的 NIO 框架对比,Netty 的综合性能最优;
  • 5)运行稳定:Netty 修复了已经发现的所有 NIO 的 bug,让开发人员可以专注于业务本身;
  • 6)社区活跃:Netty 是活跃的开源项目,版本迭代周期短,bug 修复速度快。

Netty高性能表现在哪些方面?

  • 1)IO 线程模型:同步非阻塞,用最少的资源做更多的事;
  • 2)内存零拷贝:尽量减少不必要的内存拷贝,实现了更高效率的传输;
  • 3)内存池设计:申请的内存可以重用,主要指直接内存。内部实现是用一颗二叉查找树管理内存分配情况;
  • 4)串形化处理读写:避免使用锁带来的性能开销;
  • 5)高性能序列化协议:支持 protobuf 等高性能序列化协议。

应用场景:

  • 1)现在物联网的应用无处不在,大量的项目都牵涉到应用传感器和服务器端的数据通信,Netty作为基础通信组件、能够轻松解决之前有较高门槛的通信系统开发,你不用再为如何解析各类简单、或复杂的通讯协议而薅头发
  • 2)现在互联网系统讲究的都是高并发、分布式、微服务,各类消息满天飞(是的,IM系统、消息推送系统就是其中的典型),Netty在这类架构里面的应用可谓是如鱼得水,如果你对当前的各种应用服务器不爽,那么完全可以基于Netty来实现自己的HTTP服务器、FTP服务器、UDP服务器、RPC服务器、WebSocket服务器、Redis的Proxy服务器、MySQL的Proxy服务器等等。

多款开源框架中应用了Netty:

  • 1)阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架;
  • 2)淘宝的消息中间件 RocketMQ
  • 3)Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架;
  • 4)开源集群运算框架 Spark
  • 5)分布式计算框架 Storm
  • 6)并发应用和分布式应用 Akka
  • 7)名单依然很长很长。。。。

Netty的主要组件及概念:

  • 1)I/O:各种各样的流(文件、数组、缓冲、管道。。。)的处理(输入输出);
  • 2)Channel:通道,代表一个连接,每个Client请对会对应到具体的一个Channel;
  • 3)ChannelPipeline:责任链,每个Channel都有且仅有一个ChannelPipeline与之对应,里面是各种各样的Handler;
  • 4)handler:用于处理出入站消息及相应的事件,实现我们自己要的业务逻辑;
  • 5)EventLoopGroup:I/O线程池,负责处理Channel对应的I/O事件;维护了多个 NioEventLoop 线程
  • 6)ServerBootstrap:服务器端启动辅助对象;
  • 7)Bootstrap:客户端启动辅助对象;
  • 8)ChannelInitializer:Channel初始化器;
  • 9)ChannelFuture:代表I/O操作的执行结果,通过事件机制,获取执行结果,通过添加监听器,执行我们想要的操作;
  • 10)ByteBuf:字节序列,通过ByteBuf操作基础的字节数组和缓冲区。

Netty整体架构

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Netty 逻辑架构

网络通信层

网络通信层的职责是执行网络 I/O 的操作。它支持多种网络协议和 I/O 模型的连接操作。当网络数据读取到内核缓冲区后,会触发各种网络事件,这些网络事件会分发给事件调度层进行处理。

网络通信层的核心组件。

1、BootStrap(客户端启动) & ServerBootStrap(服务端启动)

Bootstrap 是“引导”的意思,它主要负责整个 Netty 程序的启动、初始化、服务器连接等过程,它相当于一条主线,串联了 Netty 的其他核心组件。

如下图所示,Netty 中的引导器共分为两种类型:一个为用于客户端引导的 Bootstrap,另一个为用于服务端引导的 ServerBootStrap,它们都继承自抽象类 AbstractBootstrap。

 

2、Channel

Channel提供了基本的 API 用于网络 I/O 操作,如 register、bind、connect、read、write、flush 等。Netty 自己实现的 Channel 是以 JDK NIO Channel 为基础的,相比较于 JDK NIO,Netty 的 Channel 提供了更高层次的抽象,同时屏蔽了底层 Socket 的复杂性,赋予了 Channel 更加强大的功能,你在使用 Netty 时基本不需要再与 Java Socket 类直接打交道。

下图是 Channel 家族的图谱。AbstractChannel 是整个家族的基类,派生出 AbstractNioChannel、AbstractOioChannel、AbstractEpollChannel 等子类,每一种都代表了不同的 I/O 模型和协议类型。常用的 Channel 实现类有: 

  • NioServerSocketChannel 异步 TCP 服务端。
  • NioSocketChannel 异步 TCP 客户端。
  • OioServerSocketChannel 同步 TCP 服务端。
  • OioSocketChannel 同步 TCP 客户端。
  • NioDatagramChannel 异步 UDP 连接。
  • OioDatagramChannel 同步 UDP 连接。

当然 Channel 会有多种状态,如连接建立、连接注册、数据读写、连接销毁等。随着状态的变化,Channel 处于不同的生命周期,每一种状态都会绑定相应的事件回调,

事件说明
channelRegistered Channel 创建后被注册到 EventLoop 上
channelUnregistered Channel 创建后未注册或者从 EventLoop 取消注册
channelActive Channel 处于就绪状态,可以被读写
channelInactive Channel 处于非就绪状态
channelRead Channel 可以从远端读取到数据
channelReadComplete Channel 读取数据完成

事件调度层

事件调度层的职责是通过 Reactor 线程模型对各类事件进行聚合处理,通过 Selector 主循环线程集成多种事件( I/O 事件、信号事件、定时事件等),实际的业务处理逻辑是交由服务编排层中相关的 Handler 完成。

事件调度层的核心组件包括 EventLoopGroup、EventLoop。

EventLoopGroup 本质是一个线程池,主要负责接收 I/O 请求,并分配线程执行处理请求。在下图中,我为你讲述了 EventLoopGroups、EventLoop 与 Channel 的关系。

 

 从上图中,我们可以总结出 EventLoopGroup、EventLoop、Channel 的几点关系。

  1. 一个 EventLoopGroup 往往包含一个或者多个 EventLoop。EventLoop 用于处理 Channel 生命周期内的所有 I/O 事件,如 accept、connect、read、write 等 I/O 事件。
  2. EventLoop 同一时间会与一个线程绑定,每个 EventLoop 负责处理多个 Channel。
  3. 每新建一个 Channel,EventLoopGroup 会选择一个 EventLoop 与其绑定。该 Channel 在生命周期内都可以对 EventLoop 进行多次绑定和解绑。

下图是 EventLoopGroup 的家族图谱。可以看出 Netty 提供了 EventLoopGroup 的多种实现,而且 EventLoop 则是 EventLoopGroup 的子接口,所以也可以把 EventLoop 理解为 EventLoopGroup,但是它只包含一个 EventLoop 。

 

EventLoopGroup 的实现类是 NioEventLoopGroup,NioEventLoopGroup 也是 Netty 中最被推荐使用的线程模型。NioEventLoopGroup 继承于 MultithreadEventLoopGroup,是基于 NIO 模型开发的,可以把 NioEventLoopGroup 理解为一个线程池,每个线程负责处理多个 Channel,而同一个 Channel 只会对应一个线程。

EventLoopGroup 是 Netty 的核心处理引擎,那么 EventLoopGroup 和之前课程所提到的 Reactor 线程模型到底是什么关系呢?其实 EventLoopGroup 是 Netty Reactor 线程模型的具体实现方式,Netty 通过创建不同的 EventLoopGroup 参数配置,就可以支持 Reactor 的三种线程模型:

  1. 单线程模型:EventLoopGroup 只包含一个 EventLoop,Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup;
  2. 多线程模型:EventLoopGroup 包含多个 EventLoop,Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup;
  3. 主从多线程模型:EventLoopGroup 包含多个 EventLoop,Boss 是主 Reactor,Worker 是从 Reactor,它们分别使用不同的 EventLoopGroup,主 Reactor 负责新的网络连接 Channel 创建,然后把 Channel 注册到从 Reactor。

在介绍完事件调度层之后,可以说 Netty 的发动机已经转起来了,事件调度层负责监听网络连接和读写操作,然后触发各种类型的网络事件,需要一种机制管理这些错综复杂的事件,并有序地执行,接下来我们便一起学习 Netty 服务编排层中核心组件的职责。

服务编排层

服务编排层的职责是负责组装各类服务,它是 Netty 的核心处理链,用以实现网络事件的动态编排和有序传播。

服务编排层的核心组件包括 ChannelPipeline、ChannelHandler、ChannelHandlerContext。

1、ChannelPipeline

ChannelPipeline 是 Netty 的核心编排组件,负责组装各种 ChannelHandler,实际数据的编解码以及加工处理操作都是由 ChannelHandler 完成的。ChannelPipeline 可以理解为ChannelHandler 的实例列表——内部通过双向链表将不同的 ChannelHandler 链接在一起。当 I/O 读写事件触发时,ChannelPipeline 会依次调用 ChannelHandler 列表对 Channel 的数据进行拦截和处理。

ChannelPipeline 是线程安全的,因为每一个新的 Channel 都会对应绑定一个新的 ChannelPipeline。一个 ChannelPipeline 关联一个 EventLoop,一个 EventLoop 仅会绑定一个线程。

ChannelPipeline、ChannelHandler 都是高度可定制的组件。开发者可以通过这两个核心组件掌握对 Channel 数据操作的控制权。下面我们看一下 ChannelPipeline 的结构图:

ChannelPipeline 中包含入站 ChannelInboundHandler 和出站 ChannelOutboundHandler 两种处理器,我们结合客户端和服务端的数据收发流程来理解 Netty 的这两个概念。

 

2、ChannelHandler & ChannelHandlerContext

数据的编解码工作以及其他转换工作实际都是通过 ChannelHandler 处理的。站在开发者的角度,最需要关注的就是 ChannelHandler,我们很少会直接操作 Channel,都是通过 ChannelHandler 间接完成。

每创建一个 Channel 都会绑定一个新的 ChannelPipelineChannelPipeline 中每加入一个 ChannelHandler 都会绑定一个 ChannelHandlerContext。由此可见,ChannelPipeline、ChannelHandlerContext、ChannelHandler 三个组件的关系是密切相关的,

ChannelHandlerContext 用于保存 ChannelHandler 上下文,通过 ChannelHandlerContext 我们可以知道 ChannelPipeline 和 ChannelHandler 的关联关系。ChannelHandlerContext 可以实现 ChannelHandler 之间的交互,ChannelHandlerContext 包含了 ChannelHandler 生命周期的所有事件,如 connect、bind、read、flush、write、close 等。

 

  • 服务端启动初始化时有 Boss EventLoopGroup 和 Worker EventLoopGroup 两个组件,其中 Boss 负责监听网络连接事件。当有新的网络连接事件到达时,则将 Channel 注册到 Worker EventLoopGroup。
  • Worker EventLoopGroup 会被分配一个 EventLoop 负责处理该 Channel 的读写事件。每个 EventLoop 都是单线程的,通过 Selector 进行事件循环。
  • 当客户端发起 I/O 读写事件时,服务端 EventLoop 会进行数据的读取,然后通过 Pipeline 触发各种监听器进行数据的加工处理。
  • 客户端数据会被传递到 ChannelPipeline 的第一个 ChannelInboundHandler 中,数据处理完成后,将加工完成的数据传递给下一个 ChannelInboundHandler。
  • 当数据写回客户端时,会将处理结果在 ChannelPipeline 的 ChannelOutboundHandler 中传播,最后到达客户端。

 


 

源码结构

1、Core 核心层模块

netty-common模块是 Netty 的核心基础包,提供了丰富的工具类,其他模块都需要依赖它。在 common 模块中,常用的包括通用工具类和自定义并发包。

  • 通用工具类:比如定时器工具 TimerTask、时间轮 HashedWheelTimer 等。
  • 自定义并发包:比如异步模型****Future & Promise、相比 JDK 增强的 FastThreadLocal 等。

netty-buffer 模块中Netty自己实现了的一个更加完备的ByteBuf 工具类,用于网络通信中的数据载体。由于人性化的 Buffer API 设计,它已经成为 Java ByteBuffer 的完美替代品。ByteBuf 的动态性设计不仅解决了 ByteBuffer 长度固定造成的内存浪费问题,而且更安全地更改了 Buffer 的容量。此外 Netty 针对 ByteBuf 做了很多优化,例如缓存池化、减少数据拷贝的 CompositeByteBuf 等。

netty-resover模块主要提供了一些有关基础设施的解析工具,包括 IP Address、Hostname、DNS 等。

2、Protocol Support 协议支持层模块

netty-codec模块主要负责编解码工作,通过编解码实现原始字节数据与业务实体对象之间的相互转化。如下图所示,Netty 支持了大多数业界主流协议的编解码器,如 HTTP、HTTP2、Redis、XML 等,为开发者节省了大量的精力。此外该模块提供了抽象的编解码类 ByteToMessageDecoder 和 MessageToByteEncoder,通过继承这两个类我们可以轻松实现自定义的编解码逻辑。  

netty-handler模块

主要负责数据处理工作。Netty 中关于数据处理的部分,本质上是一串有序 handler 的集合。netty-handler 模块提供了开箱即用的 ChannelHandler 实现类,例如日志、IP 过滤、流量整形等,如果你需要这些功能,仅需在 pipeline 中加入相应的 ChannelHandler 即可。

3、Transport Service 传输服务层模块

netty-transport 模块可以说是 Netty 提供数据处理和传输的核心模块。该模块提供了很多非常重要的接口,如 Bootstrap、Channel、ChannelHandler、EventLoop、EventLoopGroup、ChannelPipeline 等。其中 Bootstrap 负责客户端或服务端的启动工作,包括创建、初始化 Channel 等;EventLoop 负责向注册的 Channel 发起 I/O 读写操作;ChannelPipeline 负责 ChannelHandler 的有序编排,这些组件在介绍 Netty 逻辑架构的时候都有所涉及。

以上只介绍了 Netty 常用的功能模块,还有很多模块就不一一列举了,有兴趣的同学可以在 GitHub(https://github.com/netty/netty)查询 Netty 的源码。

 

Netty的整体工作机制

Netty的整体工作机制如下,整体设计就是前面我们讲过的多线程Reactor模型,分离请求监听和请求处理,通过多线程分别执行具体的handler。

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动手实战

 Netty开发的实际代码过程,也确实并不复杂,就像下图这样,绿色的代表客户端流程、蓝色的代表服务器端流程,注意标红的部分。

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