Netty技术知识点总结

剑影啸清寒

发布于 2020-07-10 11:18:34

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发布于 2020-07-10 11:18:34

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Netty

Netty 是一个非阻塞（异步）、事件驱动的网络框架，用多线程处理 IO 事件。

一. Netty 结构

Netty 服务端与客户端都是由 Bootstrap 引导程序开始的，对于服务端，引导类是 ServerBootstrap，对于客户端，引导类是 Bootstrap。

从 ServerBootstrap 开始，Netty Server 的结构如下：

ServerBootstrap
- EventLoopGroup
  - EventLoop：事件循环线程，通过 Selector 管理多个连接 Channel
    - Channel：连接
      - ChannelPipeline：管道，由多个 ChannelHandler 串联构成，处理连接的逻辑；
      - EventExecutorGroup：
      - EventExecutor：事件执行器，继承于 ExecutorService 接口，用于处理阻塞线程；
      - ChannelHandler：逻辑处理器，处理一部分连接事件；
      - ChannelHandlerContext：Handler 上下文，Pipeline 用 Context 调用每一个方法；
      - ChannelHandlerAdapter：业务逻辑

一个典型的 Netty Server 如下：

public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) {
        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap
                .group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                    }
                });

        serverBootstrap.bind(8000);
    }
}

1.1 Bootstrap

ServerBootstrap 有两个 EventLoopGroup：

bossGroup：包含一个单例的 Server Channel，它持有一个绑定了本地端口的 Socket，用来监听和接收客户端的连接 (Channel)，并交给 workerGroup 进行处理；
workerGroup：包含所有接入的客户端连接 (Channel)；

1.2 EventLoopGroup 与 EventLoop

EventLoopGroup 是一个事件循环集合，每个 EventLoopGroup 都有一个或多个 EventLoop。EventLoop 是一个事件循环线程，它通过 Java NIO 的 selector 管理多个 Channel。

1.3 Channel

Channel 接受 socket 传来的数据，进入到每个 Channel 都有的 ChannelPipeline 中，使用责任链模式，数据经过经过一系列处理器 ChannelHandler 逻辑处理，将数据传出。 ChannelPipeline 是 ChannelHandler 的一个链表，如果一个入站 (inbound) 事件触发，会从第一个 ChannelHandler 开始遍历所有的 ChannelHandler；如果出站 (outbound) 事件触发，则会从最后一个 ChannelHandler 开始反向遍历执行所有逻辑。每个 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 之后，都会创建一个 ChannelHandlerContext，并与 ChannelHandler 关联绑定，每个 ChannelHandlerContext 都有 prev, next 指针，与其他的 ChannelHandlerContext 关联，这样就形成了 ChannelPipeline 的链式结构。

1.4 EventExecutor

Netty 处理事件 IO 有很多线程，处理时尽量不要阻塞线程，因为阻塞会降低程序的性能。在添加 ChannelHandler 到 ChannelPipeline 时，可以指定一个 EventExecutorGroup，可以从中获取 EventExecutor。

EventExecutor：可以执行的线程；
EventExecutorGroup：线程组，用于管理和分配多个 EventExecutor；

在 ChannelPipeline 添加 ChannelHandler 时，可以为 ChannelHandler 指定 EventExecutor，用线程的方式执行 ChannelHandler 的方法。

1.5 ByteBuf

在 Java NIO 中也有 ByteBuffer 的缓冲类，但它读写索引是放在一起的，而且更改读写状态需要使用 filp() 方法转换状态，整体使用比较麻烦。 Netty 对 Java NIO 进行了优化，形成优化后的数据容器 ByteBuf。它针对 ByteBuffer 类的缺点进行了优化，分为了读写两部分，可以在任意位置读取数据，开发者只需要调整数据索引位置，以及再次开始读操作即可。所以 ByteBuf 本质就是一个由不同的索引分别控制读访问和写访问的字节数组。ByteBuf 的数据结构如下所示：

容器里面的的数据分为三个部分：

已经丢弃的字节：这部分数据是无效的；
可读字节：这部分数据是 ByteBuf 的主体数据，从 ByteBuf 里面读取的数据都来自这一部分；
- 可读字节之前的指针即为读指针 (readerIndex)；
可写字节：所有写到 ByteBuf 的数据都会写到这一段；
- 可写指针之前的指针为写指针 (writerIndex)；
- capacity = 已丢弃字节 + 可读字节 + 可写字节，表示 ByteBuf 底层内存的总容量；
最后一部分虚线表示的是该 ByteBuf 最多还能扩容多少容量；

ByteBuf 有三种模式：

堆内存模式：分配对象都在 Java 堆上；
- 优点：由于数据存储在 Jvm 堆中，所以可以快速创建和快速释放，并且提供了数组直接快速访问的方法；
- 缺点：每次数据与I/O进行传输时，都需要将数据拷贝到直接缓冲区
直接内存模式：分配对象都在堆外内存上；
- 优点：使用 Socket 传递数据时性能很好，避免了数据从 JVM 堆内存拷贝到直接缓冲区的过程，提高了性能；
- 缺点：相对于堆缓冲区而言，Direct Buffer 分配内存空间和释放更为昂贵；
- 注：对于涉及大量 I/O 的数据读写，建议使用直接内存；而对于用于后端的业务消息编解码模块建议使用堆内存模式；
复合模式：本质上类似于提供一个或多个 ByteBuf 的组合视图，可以根据需要添加和删除不同类型的 ByteBuf；

二. Reactor 模式

Netty 是一个典型的 反应器设计模式 (Reactor)。Reactor 模式是一种基于事件响应的模式，将多个客户进行统一的分离和调度，同步、有序的处理请求。

注：在 Netty 中采用了主从线程模型的 Reactor，即 Bootstrap 的两个 NioEventLoopGroup：bossGroup, workerGroup。

优点：
- 响应快，不被阻塞；
- 可扩展性强；
- 对编程友好；
缺点：
- 不易于调试；
- 需要底层操作系统支持 select 等多路复用技术；

Reactor 有三种模式：

Reactor 单线程模式：
- 同时作为 TCP 客户端与服务端；作为客户端，向服务端发送请求；作为服务端，接受请求并处理；
Reactor 多线程模式：
- 一个 Acceptor 线程用于接受连接，一组 NIO 线程用于处理逻辑；
- 通常这种模式是使用线程池的方式管理 NIO 线程的；
Reactor 主从模式：
- 一组 Acceptor 线程用于接受连接，一组 NIO 线程用于处理逻辑；
- 当前 Netty 主要使用的方式，即 bossGroup, workerGroup 的方式；

三. TCP 粘包、半包问题

参考地址：《Netty 入门与实战：仿写微信 IM 即时通讯系统》

尽管我们在应用层面使用了 Netty，但是对于操作系统来说，只认 TCP 协议。尽管我们的应用层是按照 ByteBuf 为单位来发送数据，但是到了底层操作系统仍然是按照字节流发送数据，因此，数据到了服务端，也是按照字节流的方式读入，然后到了 Netty 应用层面，重新拼装成 ByteBuf。而这里的 ByteBuf 与客户端按顺序发送的 ByteBuf 可能是不对等的。因此，我们需要在客户端根据自定义协议来组装我们应用层的数据包，然后在服务端根据我们的应用层的协议来组装数据包，这个过程通常在服务端称为拆包，而在客户端称为粘包。

Netty 自带的拆包器：

FixedLengthFrameDecoder：固定长度的拆包器；
- 应用层协议非常简单，每个数据包的长度都是固定的，比如 100，那么只需要把这个拆包器加到 pipeline 中，Netty 会把一个个长度为 100 的数据包 (ByteBuf) 传递到下一个 channelHandler。
LengthFieldBasedFrameDecoder：基于长度域拆包器；
- 最通用的一种拆包器，只要你的自定义协议中包含长度域字段，均可以使用这个拆包器来实现应用层拆包。例如 Dubbo 就有自己定义的协议，在 DubboProtocol 的对象头中包含请求的长度与包的长度，根据这些信息可以计算出来当前请求会出现粘包还是半包现象；