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全网讲解最透彻:高性能网络应用框架Netty,仅此一篇

Netty 是一个高性能网络应用框架,应用非常普遍,目前在 Java 领域里,Netty 基本上成为网络程序的标配了。Netty 框架功能丰富,也非常复杂,今天我们主要分析 Netty 框架中的线程模型,而线程模型直接影响着网络程序的性能。

在介绍 Netty 的线程模型之前,我们首先需要把问题搞清楚,了解网络编程性能的瓶颈在哪里,然后再看 Netty 的线程模型是如何解决这个问题的。

网络编程性能的瓶颈

之前,我们写过一个简单的网络程序echo,采用的是阻塞式 I/O(BIO)。BIO 模型里,所有 read() 操作和 write() 操作都会阻塞当前线程的,如果客户端已经和服务端建立了一个连接,而迟迟不发送数据,那么服务端的 read() 操作会一直阻塞,所以使用 BIO 模型,一般都会为每个 socket 分配一个独立的线程,这样就不会因为线程阻塞在一个 socket 上而影响对其他 socket 的读写。BIO 的线程模型如下图所示,每一个 socket 都对应一个独立的线程;为了避免频繁创建、消耗线程,可以采用线程池,但是 socket 和线程之间的对应关系并不会变化。

BIO 的线程模型

BIO 这种线程模型适用于 socket 连接不是很多的场景;但是现在的互联网场景,往往需要服务器能够支撑十万甚至百万连接,而创建十万甚至上百万个线程显然并不现实,所以BIO 线程模型无法解决百万连接的问题。如果仔细观察,你会发现互联网场景中,虽然连接多,但是每个连接上的请求并不频繁,所以线程大部分时间都在等待 I/O 就绪。也就是说线程大部分时间都阻塞在那里,这完全是浪费,如果我们能够解决这个问题,那就不需要这么多线程了。

顺着这个思路,我们可以将线程模型优化为下图这个样子,可以用一个线程来处理多个连接,这样线程的利用率就上来了,同时所需的线程数量也跟着降下来了。这个思路很好,可是使用 BIO 相关的 API 是无法实现的,这是为什么呢?因为 BIO 相关的 socket 读写操作都是阻塞式的,而一旦调用了阻塞式 API,在 I/O 就绪前,调用线程会一直阻塞,也就无法处理其他的 socket 连接了。

理想的线程模型图

好在 Java 里还提供了非阻塞式(NIO)API,利用非阻塞式 API 就能够实现一个线程处理多个连接了。那具体如何实现呢?现在普遍都是采用 Reactor 模式,包括 Netty 的实现。所以,要想理解 Netty 的实现,接下来我们就需要先了解一下 Reactor 模式。

Reactor 模式

下面是 Reactor 模式的类结构图,其中 Handle 指的是 I/O 句柄,在 Java 网络编程里,它本质上就是一个网络连接。Event Handler 很容易理解,就是一个事件处理器,其中handle_event() 方法处理 I/O 事件,也就是每个 Event Handler 处理一个 I/O Handle;get_handle() 方法可以返回这个 I/O 的 Handle。Synchronous Event Demultiplexer 可以理解为操作系统提供的 I/O 多路复用 API,例如 POSIX 标准里的 select() 以及 Linux 里面的 epoll()。

Reactor 模式类结构图

Reactor 模式的核心自然是Reactor 这个类,其中 register_handler() 和remove_handler() 这两个方法可以注册和删除一个事件处理器;handle_events() 方式是核心,也是 Reactor 模式的发动机,这个方法的核心逻辑如下:首先通过同步事件多路选择器提供的 select() 方法监听网络事件,当有网络事件就绪后,就遍历事件处理器来处理该网络事件。由于网络事件是源源不断的,所以在主程序中启动 Reactor 模式,需要以while(true){} 的方式调用 handle_events() 方法。

void Reactor : : handle_events()
{
	/*
	 * 通过同步事件多路选择器提供的
	 * select() 方法监听网络事件
	 */
	select( handlers );
	/* 处理网络事件 */
	for ( h in handlers )
	{
		h.handle_event();
	}
}
/* 在主程序中启动事件循环 */
while ( true )
{
	handle_events();

Netty 中的线程模型

Netty 的实现虽然参考了 Reactor 模式,但是并没有完全照搬,Netty 中最核心的概念是事件循环(EventLoop),其实也就是 Reactor 模式中的 Reactor,负责监听网络事件并调用事件处理器进行处理。在 4.x 版本的 Netty 中,网络连接和 EventLoop 是稳定的多对1 关系,而 EventLoop 和 Java 线程是 1 对 1 关系,这里的稳定指的是关系一旦确定就不再发生变化。也就是说一个网络连接只会对应唯一的一个 EventLoop,而一个 EventLoop也只会对应到一个 Java 线程,所以一个网络连接只会对应到一个 Java 线程。

一个网络连接对应到一个 Java 线程上,有什么好处呢?最大的好处就是对于一个网络连接的事件处理是单线程的,这样就避免了各种并发问题。

Netty 中的线程模型可以参考下图,这个图和前面我们提到的理想的线程模型图非常相似,核心目标都是用一个线程处理多个网络连接。

Netty 中的线程模型

Netty 中还有一个核心概念是EventLoopGroup,顾名思义,一个 EventLoopGroup 由一组 EventLoop 组成。实际使用中,一般都会创建两个 EventLoopGroup,一个称为bossGroup,一个称为 workerGroup。为什么会有两个 EventLoopGroup 呢?

这个和 socket 处理网络请求的机制有关,socket 处理 TCP 网络连接请求,是在一个独立的 socket 中,每当有一个 TCP 连接成功建立,都会创建一个新的 socket,之后对 TCP 连接的读写都是由新创建处理的 socket 完成的。也就是说处理 TCP 连接请求和读写请求是通过两个不同的 socket 完成的。上面我们在讨论网络请求的时候,为了简化模型,只是讨论了读写请求,而没有讨论连接请求。

在 Netty 中,bossGroup 就用来处理连接请求的,而 workerGroup 是用来处理读写请求的。bossGroup 处理完连接请求后,会将这个连接提交给 workerGroup 来处理,workerGroup 里面有多个 EventLoop,那新的连接会交给哪个 EventLoop 来处理呢?这就需要一个负载均衡算法,Netty 中目前使用的是轮询算法。

下面我们用 Netty 重新实现以下 echo 程序的服务端,近距离感受一下 Netty。

用 Netty 实现 Echo 程序服务端

下面的示例代码基于 Netty 实现了 echo 程序服务端:首先创建了一个事件处理器(等同于 Reactor 模式中的事件处理器),然后创建了 bossGroup 和 workerGroup,再之后创建并初始化了 ServerBootstrap,代码还是很简单的,不过有两个地方需要注意一下。

第一个,如果 NettybossGroup 只监听一个端口,那 bossGroup 只需要 1 个 EventLoop就可以了,多了纯属浪费。

第二个,默认情况下,Netty 会创建“2*CPU 核数”个 EventLoop,由于网络连接与EventLoop 有稳定的关系,所以事件处理器在处理网络事件的时候是不能有阻塞操作的,否则很容易导致请求大面积超时。如果实在无法避免使用阻塞操作,那可以通过线程池来异步处理。

/* 事件处理器 */
final EchoServerHandler serverHandler
	= new EchoServerHandler();
/* boss 线程组 */
EventLoopGroup bossGroup
	= new NioEventLoopGroup( 1 );
/* worker 线程组 */
EventLoopGroup workerGroup
	= new NioEventLoopGroup();
try {
	ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
	b.group( bossGroup, workerGroup )
	.channel( NioServerSocketChannel.class )
	.childHandler( new ChannelInitializer<SocketChannel>()
		       {
			       @Override
			       public void initChannel( SocketChannel ch )
			       {
				       ch.pipeline().addLast( serverHandler );
			       }
		       } );
	/* bind 服务端端口 */
	ChannelFuture f = b.bind( 9090 ).sync();
	f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
	/* 终止工作线程组 */
	workerGroup.shutdownGracefully();
	/* 终止 boss 线程组 */
	bossGroup.shutdownGracefully();
}

/* socket 连接处理器 */
class EchoServerHandler extends
ChannelInboundHandlerAdapter {
	/* 处理读事件 */
	@Override
	public void channelRead(
		ChannelHandlerContext ctx, Object msg )
	{
		ctx.write( msg );
	}


	/* 处理读完成事件 */
	@Override
	public void channelReadComplete(
		ChannelHandlerContext ctx )
	{
		ctx.flush();
	}


	/* 处理异常事件 */
	@Override
	public void exceptionCaught(
		ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause )
	{
		cause.printStackTrace();
		ctx.close();
	}
}

总结

Netty 是一个款优秀的网络编程框架,性能非常好,为了实现高性能的目标,Netty 做了很多优化,例如优化了 ByteBuffer、支持零拷贝等等,和并发编程相关的就是它的线程模型了。Netty 的线程模型设计得很精巧,每个网络连接都关联到了一个线程上,这样做的好处是:对于一个网络连接,读写操作都是单线程执行的,从而避免了并发程序的各种问题。

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原始发表时间:2021-04-06

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