Netty 整体架构
Netty 逻辑架构
下图是 Netty 的逻辑处理架构。Netty 的逻辑处理架构为典型网络分层架构设计,共分为网络通信层、事件调度层、服务编排层,每一层各司其职。图中包含了 Netty 每一层所用到的核心组件。我将为你介绍 Netty 的每个逻辑分层中的各个核心组件以及组件之间是如何协调运作的。
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包含BootStrap、ServerBootStrap、Channel三个组件。
- BootStrap & ServerBootStrap
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。
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。
Bootstrap 和 ServerBootStrap 十分相似,两者非常重要的区别在于 Bootstrap 可用于连接远端服务器,只绑定一个 EventLoopGroup。而 ServerBootStrap 则用于服务端启动绑定本地端口,会绑定两个 EventLoopGroup,这两个 EventLoopGroup 通常称为 Boss 和 Worker。
ServerBootStrap 中的 Boss 和 Worker 是什么角色呢?它们之间又是什么关系?这里的 Boss 和 Worker 可以理解为“老板”和“员工”的关系。每个服务器中都会有一个 Boss,也会有一群做事情的 Worker。Boss 会不停地接收新的连接,然后将连接分配给一个个 Worker 处理连接。
有了 Bootstrap 组件,我们可以更加方便地配置和启动 Netty 应用程序,它是整个 Netty 的入口,串接了 Netty 所有核心组件的初始化工作。
- Channel
Channel 的字面意思是“通道”,它是网络通信的载体。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,下面的表格我列举了 Channel 最常见的状态所对应的事件回调。
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 |
BootStrap 和 ServerBootStrap 分别负责客户端和服务端的启动,它们是非常强大的辅助工具类;Channel 是网络通信的载体,提供了与底层 Socket 交互的能力。那么 Channel 生命周期内的事件都是如何被处理的呢?那就是 Netty 事件调度层的工作职责了。
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 & 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。
- 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。
- EventLoop 同一时间会与一个线程绑定,每个 EventLoop 负责处理多个 Channel。
- 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。
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:
- 单线程模型:EventLoopGroup 只包含一个 EventLoop,Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup;
- 多线程模型:EventLoopGroup 包含多个 EventLoop,Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup;
- 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。
- 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:
从上图可以看出,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。
客户端和服务端都有各自的 ChannelPipeline。以客户端为例,数据从客户端发向服务端,该过程称为出站,反之则称为入站。数据入站会由一系列 InBoundHandler 处理,然后再以相反方向的 OutBoundHandler 处理后完成出站。我们经常使用的编码 Encoder 是出站操作,解码 Decoder 是入站操作。服务端接收到客户端数据后,需要先经过 Decoder 入站处理后,再通过 Encoder 出站通知客户端。所以客户端和服务端一次完整的请求应答过程可以分为三个步骤:客户端出站(请求数据)、服务端入站(解析数据并执行业务逻辑)、服务端出站(响应结果)。
- ChannelHandler & ChannelHandlerContext
在介绍 ChannelPipeline 的过程中,想必你已经对 ChannelHandler 有了基本的概念,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。
下图描述了 Channel 与 ChannelPipeline 的关系,从图中可以看出,每创建一个 Channel 都会绑定一个新的 ChannelPipeline,ChannelPipeline 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,那么你一定会有疑问,每个 ChannelHandler 绑定ChannelHandlerContext 的作用是什么呢?
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。此外,你可以试想这样一个场景,如果每个 ChannelHandler 都有一些通用的逻辑需要实现,没有 ChannelHandlerContext 这层模型抽象,你是不是需要写很多相同的代码呢?
以上便是 Netty 的逻辑处理架构,可以看出 Netty 的架构分层设计得非常合理,屏蔽了底层 NIO 以及框架层的实现细节,对于业务开发者来说,只需要关注业务逻辑的编排和实现即可。
组件协作流程
结合客户端和服务端的交互流程,完整地梳理一遍 Netty 内部逻辑的流转。
- 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。
以上便是 Netty 各个组件的整体交互流程,你只需要对每个组件的工作职责有所了解,心中可以串成一条流水线即可,具体每个组件的实现原理后续课程我们会深入介绍。