【Netty】工作原理解析
线程模型介绍
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，下面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。
目前存在的线程模型有：
- 传统阻塞 I/O 服务模型
- Reactor 模式
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
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
工作原理示意图
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，占用很大的系统资源
- 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
Reactor 模式
Reactor: 反应器模式，也被称为分发者模式(Dispatcher)或通知者模式(notifier)。
针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案如下：
- 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。
Reactor 模式设计思想
Reactor 模式基本设计思想是I/O 复用结合线程池，如下图所示：
- Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器(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，因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式。
- 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。
Reactor 模式核心组成
- 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。
- Handlers：处理程序执行 I/O 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。
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：
- 单 Reactor 单线程
- 单 Reactor 多线程
- 主从 Reactor 多线程
单Reactor 单线程模式
工作原理示意图
工作流程说明
- 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。
- 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 对象处理完成连接后的各种事件
- 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：
- 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。
- 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。
单Reactor 多线程模式
工作原理示意图
工作流程说明
- 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。
主从Reactor 模式
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。
工作原理示意图
工作流程说明
- 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。
优缺点分析
- 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
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 模式优点和缺点
优点
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
缺点
- 相比传统的简单模型，Reactor增加了一定的复杂性，因而有一定的门槛，并且不易于调试。
- Reactor模式需要底层的Synchronous Event Demultiplexer支持，比如Java中的Selector 支持，操作系统的select系统调用支持，如果要自己实现Synchronous Event Demultiplexer 可能不会有那么高效。
- Reactor模式在IO 读写数据时还是在同一个线程中实现的，即使使用多个Reactor 机制的情况下，那些共享一个Reactor 的Channel 如果出现一个长时间的数据读写，会影响这个Reactor 中其他Channel 的响应时间，比如在大文件传输时，IO 操作就会影响其他Client 的响应时间，因而对这种操作，使用传统的Thread-Per-Connection 或许是一个更好的选择，或者此时使用改进版的Reactor 模式如Proactor 模式。
Netty 模型
Netty 主要基于主从 Reactors 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。
工作原理示意图
工作流程说明
- 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。其内部采用串行化设计，从消息的读取 -> 解码 -> 处理 -> 编码 -> 发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责。
- 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：
- 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 处理业务。
- 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handler 处理器用来处理 channel 中的数据。
案例： TCP 服务
- 服务端
public class NettyServer {
public static void main(String[] args) {
// 创建两个线程组 bossGroup 和 workerGroup
// 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
// bossGroup 和 workerGroup 含有的子线程(NioEventLoop)的个数默认是实际cpu 核心数 * 2
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) // 设置两个线程组
.channel(NioServerSocketChannel.class) // 使用NioSocketChannel 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) // 设置保持活动的连接状态
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 创建一个通道测试对象(匿名对象)
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
// 给pipeline 设置处理器
ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
}
}); // 给workGroup 的EventLoop 对应的管道设置处理器
System.out.println("服务器已准备就绪...");
try {
// 启动服务器, 绑定端口并设置同步
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).sync();
// 对关闭通道监听
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
/**
* 自定义handler处理器
*/
class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
/**
* 读取数据实际(这里可以读取客户端发送的消息)
* @param ctx 上下文对象, 含有管道pipeline, 通道channel, 地址
* @param msg 客户端发送的数据
*/
@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);
Channel channel = ctx.channel();
// ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); // 本质是一个双向链表
// 将msg 转成一个ByteBuf
// ByteBuf是Netty提供的, 不是NIO的ByteBuffer
ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
System.out.println("收到客户端消息: " + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("客户端地址: " + channel.remoteAddress());
}
/**
* 数据读取完毕
*/
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
// writeAndFlush 是write + flush
// 将数据写入到缓存, 并刷新
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("bye ~", CharsetUtil.UTF_8));
}
}
- 客户端
public class NettyClient {
public static void main(String[] args) {
// 客户端需要一个事件循环组
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
// 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(反射)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler()); //加入自己的处理器
}
});
System.out.println("客户端准备就绪...");
try {
// 启动客户端去连接服务器端
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8080).sync();
// 监听关闭通道
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
group.shutdownGracefully();
}
}
}
class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
/**
* 当通道就绪就会触发该方法
*/
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
System.out.println("client ctx = " + ctx);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello ~", CharsetUtil.UTF_8));
}
/**
* 当通道有读取事件时触发
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
System.out.println("服务器消息: " + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("服务器地址: "+ ctx.channel().remoteAddress());
}
/**
* 异常事件
*/
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}
任务队列 Task
使用场景
- 用户程序自定义的普通任务
- 用户自定义定时任务
- 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法
代码演示
class NettyServerTaskHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
// 自定义普通任务, 该任务是提交到taskQueue中
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello ~ task", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel hash =" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
// 注意此处第二个普通任务在任务一基础上睡眠5s, 10s后输出
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello ~ task2", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel hash =" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
// 自定义定时任务, 该任务是提交到scheduledTaskQueue中
ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello ~ timed task", CharsetUtil.UTF_8));
System.out.println("channel hash =" + ctx.channel().hashCode());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, 5, TimeUnit.SECONDS);
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("bye ~", CharsetUtil.UTF_8));
}
}
异步模型
基本介绍
异步的概念和同步相对，当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的组件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture，调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future - Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的基础上。
Future 表示异步的执行结果, 可以通过它提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等。
工作原理示意图
说明:
- 在使用 Netty 编程时，拦截操作和转换出入站数据只需要提供 callback 或利用 future 即可。这使得链式操作简单、高效，并有利于编写可重用的、通用的代码。
- Netty 框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来、解脱出来。
Future-Listener 机制
- 当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作。
- 常见有如下操作：
- 通过 isDone 方法来判断当前操作是否完成
- 通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功
- 通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因
- 通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消
- 通过 addListener 方法来注册监听器，当操作已完成(isDone 方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果 Future 对象已完成，则通知指定的监听器
代码示例
绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑
// 启动服务器, 绑定端口并设置同步
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).sync();
// 给ChannelFuture注册监听器, 监控关心的事件
channelFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
@Override
public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
if (future.isSuccess()) {
System.out.println("监听端口 8080 成功");
} else {
System.out.println("监听端口 8080 失败");
}
}
});
案例：HTTP 服务
public class HttpServer {
public static void main(String[] args) {
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new CustomHttpServerInitializer());
try {
ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).sync();
channelFuture.channel().closeFuture().sync();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
}
class CustomHttpServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
// 得到管道
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
// 加入一个netty提供的http编解码器
pipeline.addLast("httpServerCodec", new HttpServerCodec());
// 增加一个自定义handler
pipeline.addLast(new CustomHttpServer());
}
}
class CustomHttpServer extends SimpleChannelInboundHandler<HttpObject> {
/**
* 读取客户端数据
*/
@Override
protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, HttpObject msg) throws Exception {
if (msg instanceof HttpRequest) {
System.out.println("pipeline hash = " + ctx.pipeline().hashCode() + "handler hash = " + this.hashCode());
System.out.println("客户端地址: " + ctx.channel().remoteAddress());
// 请求信息
HttpRequest httpRequest = (HttpRequest) msg;
// 获取URI, 过滤指定资源
URI uri = new URI(httpRequest.uri());
if ("/favicon.ico".equals(uri.getPath())) {
return;
}
// 回复信息给浏览器
ByteBuf content = Unpooled.copiedBuffer("hello ~", CharsetUtil.UTF_8);
// 构造http响应, 即httpResponse
FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK, content);
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, "text/plain");
response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, content.readableBytes());
ctx.writeAndFlush(response);
}
}
}
