Netty网络编程第六卷

大忽悠爱学习

发布于 2022-05-06 13:22:04

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发布于 2022-05-06 13:22:04

文章被收录于专栏：c++与qt学习

Netty网络编程第六卷

本卷重点在于对netty整体知识点和知识盲区的梳理与总结

IO模型

互联网服务端处理网络请求的原理

首先看看一个典型互联网服务端处理网络请求的典型过程：

由上图可以看到，主要处理步骤包括：

1）获取请求数据，客户端与服务器建立连接发出请求，服务器接受请求（1-3）； 2）构建响应，当服务器接收完请求，并在用户空间处理客户端的请求，直到构建响应完成（4）； 3）返回数据，服务器将已构建好的响应再通过内核空间的网络 I/O 发还给客户端（5-7）。

设计服务端并发模型时，主要有如下两个关键点：

1）服务器如何管理连接，获取输入数据； 2）服务器如何处理请求。

以上两个关键点最终都与操作系统的 I/O 模型以及线程(进程)模型相关

“I/O 模型”的基本认识

介绍操作系统的 I/O 模型之前，先了解一下几个概念：

1）阻塞调用与非阻塞调用； 2）阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，调用线程只有在得到结果之后才会返回； 3）非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

两者的最大区别在于被调用方在收到请求到返回结果之前的这段时间内，调用方是否一直在等待。

阻塞是指调用方一直在等待而且别的事情什么都不做；非阻塞是指调用方先去忙别的事情。

同步处理与异步处理：同步处理是指被调用方得到最终结果之后才返回给调用方；异步处理是指被调用方先返回应答，然后再计算调用结果，计算完最终结果后再通知并返回给调用方。

阻塞、非阻塞和同步、异步的区别（阻塞、非阻塞和同步、异步其实针对的对象是不一样的）：

1）阻塞、非阻塞的讨论对象是调用者； 2）同步、异步的讨论对象是被调用者。

recvfrom 函数：

recvfrom 函数(经 Socket 接收数据)，这里把它视为系统调用。

一个输入操作通常包括两个不同的阶段：

1）等待数据准备好；

2）从内核向进程复制数据。

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。

实际应用程序在系统调用完成上面的 2 步操作时，调用方式的阻塞、非阻塞，操作系统在处理应用程序请求时，处理方式的同步、异步处理的不同，可以分为 5 种 I/O 模型

I/O模型1：阻塞式 I/O 模型(blocking I/O）

在阻塞式 I/O 模型中，应用程序在从调用 recvfrom 开始到它返回有数据报准备好这段时间是阻塞的，recvfrom 返回成功后，应用进程开始处理数据报。

比喻：一个人在钓鱼，当没鱼上钩时，就坐在岸边一直等。
优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源。
缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销较大，这种模型在实际生产中很少使用。
每个请求都需要独立的线程完成数据 Read，业务处理，数据 Write 的完整操作问题。
当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

java的典型实现就是BIO

I/O模型2：非阻塞式 I/O 模型(non-blocking I/O）

在非阻塞式 I/O 模型中，应用程序把一个套接口设置为非阻塞，就是告诉内核，当所请求的 I/O 操作无法完成时，不要将进程睡眠。

而是返回一个错误，应用程序基于 I/O 操作函数将不断的轮询数据是否已经准备好，如果没有准备好，继续轮询，直到数据准备好为止。

比喻：边钓鱼边玩手机，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆。
优点：不会阻塞在内核的等待数据过程，每次发起的 I/O 请求可以立即返回，不用阻塞等待，实时性较好。
缺点：轮询将会不断地询问内核，这将占用大量的 CPU 时间，系统资源利用率较低，所以一般 Web 服务器不使用这种 I/O 模型。

java的典型实现是nio设置sockchannel为非阻塞模式，相当于在bio的基础上设置操作为非阻塞

I/O模型3：I/O 复用模型(I/O multiplexing）

在 I/O 复用模型中，会用到 Select 或 Poll 函数或 Epoll 函数(Linux 2.6 以后的内核开始支持)，这两个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞 I/O 有所不同。

这两个函数可以同时阻塞多个 I/O 操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的 I/O 函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用 I/O 操作函数。

上面说的可以联系java的nio里面的selector.select()方法

比喻：放了一堆鱼竿，在岸边一直守着这堆鱼竿，没鱼上钩就玩手机。
优点：可以基于一个阻塞对象，同时在多个描述符上等待就绪，而不是使用多个线程(每个文件描述符一个线程)，这样可以大大节省系统资源。
缺点：当连接数较少时效率相比多线程+阻塞 I/O 模型效率较低，可能延迟更大，因为单个连接处理需要 2 次系统调用，占用时间会有增加。

众所周之，Nginx这样的高性能互联网反向代理服务器大获成功的关键就是得益于Epoll。
Netty 的非阻塞 I/O 的实现关键是基于 I/O 复用模型，这里用 Selector 对象表示：

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端连接。
当线程从某客户端 Socket 通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。
线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。
由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 I/O 阻塞导致的线程挂起。
一个 I/O 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 I/O一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

【基于 Buffer】：

传统的 I/O 是面向字节流或字符流的，以流式的方式顺序地从一个 Stream 中读取一个或多个字节, 因此也就不能随意改变读取指针的位置。

在 NIO 中，抛弃了传统的 I/O 流，而是引入了 Channel 和 Buffer 的概念。在 NIO 中，只能从 Channel 中读取数据到 Buffer 中或将数据从 Buffer 中写入到 Channel。

基于 Buffer 操作不像传统 IO 的顺序操作，NIO 中可以随意地读取任意位置的数据。

I/O模型4：信号驱动式 I/O 模型（signal-driven I/O)

在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。

当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

比喻：鱼竿上系了个铃铛，当铃铛响，就知道鱼上钩，然后可以专心玩手机。
优点：线程并没有在等待数据时被阻塞，可以提高资源的利用率。
缺点：信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知。

信号驱动 I/O 尽管对于处理 UDP 套接字来说有用，即这种信号通知意味着到达一个数据报，或者返回一个异步错误。

但是，对于 TCP 而言，信号驱动的 I/O 方式近乎无用，因为导致这种通知的条件为数众多，每一个来进行判别会消耗很大资源，与前几种方式相比优势尽失。

I/O模型5：异步 I/O 模型（即AIO，全称asynchronous I/O）

由 POSIX 规范定义，应用程序告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到应用程序的缓冲区）完成后通知应用程序。

这种模型与信号驱动模型的主要区别在于：信号驱动 I/O 是由内核通知应用程序何时启动一个 I/O 操作，而异步 I/O 模型是由内核通知应用程序 I/O 操作何时完成。

优点：异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性，让 I/O 操作与计算重叠。
缺点：要实现真正的异步 I/O，操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O。

而在 Linux 系统下，Linux 2.6才引入，目前 AIO 并不完善，因此在 Linux 下实现高并发网络编程时都是以 IO 复用模型模式为主。

线程模型

数据报如何读取？读取之后的编解码在哪个线程进行，编解码后的消息如何派发，线程模型的不同，对性能的影响也非常大。

服务器如何基于 I/O 模型管理连接，获取输入数据，下面将介绍基于进程/线程模型，服务器如何处理请求。
值得说明的是，具体选择线程还是进程，更多是与平台及编程语言相关。
例如 C 语言使用线程和进程都可以(例如 Nginx 使用进程，Memcached 使用线程)，Java 语言一般使用线程(例如 Netty)，为了描述方便，下面都使用线程来进行描述。

【事件驱动模型】

通常，我们设计一个事件处理模型的程序有两种思路：

1）轮询方式：线程不断轮询访问相关事件发生源有没有发生事件，有发生事件就调用事件处理逻辑； 2）事件驱动方式：发生事件，主线程把事件放入事件队列，在另外线程不断循环消费事件列表中的事件，调用事件对应的处理逻辑处理事件。事件驱动方式也被称为消息通知方式，其实是设计模式中观察者模式的思路。

以 GUI 的逻辑处理为例，说明两种逻辑的不同：

1）轮询方式：线程不断轮询是否发生按钮点击事件，如果发生，调用处理逻辑。 2）事件驱动方式：发生点击事件把事件放入事件队列，在另外线程消费的事件列表中的事件，根据事件类型调用相关事件处理逻辑。

这里借用 O’Reilly 大神关于事件驱动模型解释图：

主要包括 4 个基本组件：

1）事件队列（event queue）：接收事件的入口，存储待处理事件； 2）分发器（event mediator）：将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元； 3）事件通道（event channel）：分发器与处理器之间的联系渠道； 4）事件处理器（event processor）：实现业务逻辑，处理完成后会发出事件，触发下一步操作。

可以看出，相对传统轮询模式，事件驱动有如下优点：

1）可扩展性好：分布式的异步架构，事件处理器之间高度解耦，可以方便扩展事件处理逻辑； 2）高性能：基于队列暂存事件，能方便并行异步处理事件。

线程模型1：传统阻塞 I/O 服务模型

特点：

1）采用阻塞式 I/O 模型获取输入数据； 2）每个连接都需要独立的线程完成数据输入，业务处理，数据返回的完整操作。

存在问题：

1）当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大； 2）连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

线程模型2：Reactor 模式

基本介绍

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，比较常见的有如下解决方案：

1）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上等待，无需阻塞等待所有连接。当某条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； 2）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。

I/O 复用结合线程池，这就是 Reactor 模式基本设计思想，如下图：

Reactor 模式，是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式。

服务端程序处理传入多路请求，并将它们同步分派给请求对应的处理线程，Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式。

即 I/O 多了复用统一监听事件，收到事件后分发(Dispatch 给某进程)，是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

Reactor 模式中有 2 个关键组成：

1）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。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；

2）Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。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。

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：

1）单 Reactor 单线程； 2）单 Reactor 多线程； 3）主从 Reactor 多线程。

下面详细介绍这 3 种实现方式。

Reactor 模式中有 2 个关键组成：

Reactor 是反应堆的意思，Reactor 模型是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式。

服务端程序处理传入多路请求，并将它们同步分派给请求对应的处理线程，Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式，即 I/O 多了复用统一监听事件，收到事件后分发(Dispatch 给某进程)，是编写高性能网络服务器的必备技术之一。

1）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。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人； 2）Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。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。

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：

1）单 Reactor 单线程； 2）单 Reactor 多线程； 3）主从 Reactor 多线程。

下面详细介绍这 3 种实现方式。

单 Reactor 单线程

其中，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，其他方案示意图类似。

方案说明：

1）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； 2）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 对象处理连接完成后的后续业务处理； 3）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； 4）Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程。

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，线程意外跑飞，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，业务处理的时间复杂度 O(1)。

单 Reactor 多线程

方案说明：

1）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； 2）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 对象处理连接完成后续的各种事件； 3）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； 4）Handler 只负责响应事件，不做具体业务处理，通过 Read 读取数据后，会分发给后面的 Worker 线程池进行业务处理； 5）Worker 线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理，如何将响应结果发给 Handler 进行处理； 6）Handler 收到响应结果后通过 Send 将响应结果返回给 Client。

优点：可以充分利用多核 CPU 的处理能力。
缺点：多线程数据共享和访问比较复杂；Reactor 承担所有事件的监听和响应，在单线程中运行，高并发场景下容易成为性能瓶颈。

主从 Reactor 多线程

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。

方案说明：

1）Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 Select 监控建立连接事件，收到事件后通过 Acceptor 接收，处理建立连接事件； 2）Acceptor 处理建立连接事件后，MainReactor 将连接分配 Reactor 子线程给 SubReactor 进行处理； 3）SubReactor 将连接加入连接队列进行监听，并创建一个 Handler 用于处理各种连接事件； 4）当有新的事件发生时，SubReactor 会调用连接对应的 Handler 进行响应； 5）Handler 通过 Read 读取数据后，会分发给后面的 Worker 线程池进行业务处理； 6）Worker 线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理，如何将响应结果发给 Handler 进行处理； 7）Handler 收到响应结果后通过 Send 将响应结果返回给 Client。

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。
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。

小结

3 种模式可以用个比喻来理解：（餐厅常常雇佣接待员负责迎接顾客，当顾客入坐后，侍应生专门为这张桌子服务）

1）单 Reactor 单线程，接待员和侍应生是同一个人，全程为顾客服务； 2）单 Reactor 多线程，1 个接待员，多个侍应生，接待员只负责接待； 3）主从 Reactor 多线程，多个接待员，多个侍应生。

Reactor 模式具有如下的优点：

1）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； 2）编程相对简单，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； 3）可扩展性，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源； 4）可复用性，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。

线程模型3：Proactor 模型

在 Reactor 模式中，Reactor 等待某个事件或者可应用或者操作的状态发生（比如文件描述符可读写，或者是 Socket 可读写）。

然后把这个事件传给事先注册的 Handler（事件处理函数或者回调函数），由后者来做实际的读写操作。

其中的读写操作都需要应用程序同步操作，所以 Reactor 是非阻塞同步网络模型。

如果把 I/O 操作改为异步，即交给操作系统来完成就能进一步提升性能，这就是异步网络模型 Proactor。

Proactor 是和异步 I/O 相关的，详细方案如下：

1）Proactor Initiator 创建 Proactor 和 Handler 对象，并将 Proactor 和 Handler 都通过 AsyOptProcessor（Asynchronous Operation Processor）注册到内核； 2）AsyOptProcessor 处理注册请求，并处理 I/O 操作； 3）AsyOptProcessor 完成 I/O 操作后通知 Proactor； 4）Proactor 根据不同的事件类型回调不同的 Handler 进行业务处理； 5）Handler 完成业务处理。

可以看出 Proactor 和 Reactor 的区别：

1）Reactor 是在事件发生时就通知事先注册的事件（读写在应用程序线程中处理完成）； 2）Proactor 是在事件发生时基于异步 I/O 完成读写操作（由内核完成），待 I/O 操作完成后才回调应用程序的处理器来进行业务处理。

理论上 Proactor 比 Reactor 效率更高，异步 I/O 更加充分发挥 DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)的优势。

1）编程复杂性，由于异步操作流程的事件的初始化和事件完成在时间和空间上都是相互分离的，因此开发异步应用程序更加复杂。应用程序还可能因为反向的流控而变得更加难以 Debug； 2）内存使用，缓冲区在读或写操作的时间段内必须保持住，可能造成持续的不确定性，并且每个并发操作都要求有独立的缓存，相比 Reactor 模式，在 Socket 已经准备好读或写前，是不要求开辟缓存的； 3）操作系统支持，Windows 下通过 IOCP 实现了真正的异步 I/O，而在 Linux 系统下，Linux 2.6 才引入，目前异步 I/O 还不完善。

因此在 Linux 下实现高并发网络编程都是以 Reactor 模型为主。

Netty线程模型

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如下图）做了一定的修改，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor：

1）MainReactor 负责客户端的连接请求，并将请求转交给 SubReactor； 2）SubReactor 负责相应通道的 IO 读写请求； 3）非 IO 请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待 worker threads 进行处理。

这里引用 Doug Lee 大神的 Reactor 介绍——Scalable IO in Java 里面关于主从 Reactor 多线程模型的图：

特别说明的是：虽然 Netty 的线程模型基于主从 Reactor 多线程，借用了 MainReactor 和 SubReactor 的结构。但是实际实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();
server.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)

上面代码中的 bossGroup 和 workerGroup 是 Bootstrap 构造方法中传入的两个对象，这两个 group 均是线程池：

1）bossGroup 线程池则只是在 Bind 某个端口后，获得其中一个线程作为 MainReactor，专门处理端口的 Accept 事件，每个端口对应一个 Boss 线程；

2）workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充分利用。

【异步处理】：

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部件在完成后，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。

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：

1）通过 isDone 方法来判断当前操作是否完成； 2）通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功； 3）通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因； 4）通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消； 5）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，则理解通知指定的监听器。

例如下面的代码中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：

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
       if (future.isSuccess()) {
           System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
       } else {
           System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
       }
   });

相比传统阻塞 I/O，执行 I/O 操作后线程会被阻塞住, 直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O 操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量。

Netty框架的架构设计

前面介绍完 Netty 相关一些理论，下面从功能特性、模块组件、运作过程来介绍 Netty 的架构设计。

功能特性

Netty 功能特性如下：

1）传输服务：支持 BIO 和 NIO； 2）容器集成：支持 OSGI、JBossMC、Spring、Guice 容器； 3）协议支持：HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket 等一系列常见协议都支持。还支持通过实行编码解码逻辑来实现自定义协议； 4）Core 核心：可扩展事件模型、通用通信 API、支持零拷贝的 ByteBuf 缓冲对象。

模块组件

【Bootstrap、ServerBootstrap】：

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

【Future、ChannelFuture】：

正如前面介绍，在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。

但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

【Channel】：

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

1）当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？） 2）网络连接的配置参数（例如接收缓冲区大小） 3）提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。 4）调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。 5）支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。

下面是一些常用的 Channel 类型：

NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件IO。

【Selector】：

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

【NioEventLoop】：

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：

I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制，默认为 50，则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。

【NioEventLoopGroup】：

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程。

【ChannelHandler】：

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类：

ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

【ChannelHandlerContext】：

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。

【ChannelPipline】：

保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明，描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。

I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理，并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。

例如：ChannelHandlerContext.fireChannelRead（Object）和 ChannelOutboundInvoker.write（Object）转发到其最近的处理程序。

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。

通常通过实际输入操作（例如 SocketChannel.read（ByteBuffer））从远程读取入站数据。

出站事件由上下方向处理，如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输，例如 write 请求。

I/O 线程通常执行实际的输出操作，例如 SocketChannel.write（ByteBuffer）。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下：

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。

入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰。

Netty框架的工作原理

典型的初始化并启动 Netty 服务端的过程代码如下：

public static void main(String[] args) {
       // 创建mainReactor
       NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
       // 创建工作线程组
       NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
 
       final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
       serverBootstrap 
                // 组装NioEventLoopGroup 
               .group(boosGroup, workerGroup)
                // 设置channel类型为NIO类型
               .channel(NioServerSocketChannel.class)
               // 设置连接配置参数
               .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
               .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
               .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
               // 配置入站、出站事件handler
               .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                   @Override
                   protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                       // 配置入站、出站事件channel
                       ch.pipeline().addLast(...);
                       ch.pipeline().addLast(...);
                   }
   });
 
       // 绑定端口
       int port = 8080;
       serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
           if (future.isSuccess()) {
               System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
           } else {
               System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
           }
       });
}

基本过程描述如下：

1）初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup：其中 boosGroup 用于 Accetpt 连接建立事件并分发请求，workerGroup 用于处理 I/O 读写事件和业务逻辑。

2）基于 ServerBootstrap(服务端启动引导类)：配置 EventLoopGroup、Channel 类型，连接参数、配置入站、出站事handler。

3）绑定端口：开始工作。

结合上面介绍的 Netty Reactor 模型，介绍服务端 Netty 的工作架构图：

Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup。

NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组，这个组里包含多个事件循环 NioEventLoop，

每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。

每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

1）轮询 Accept 事件； 2）处理 Accept I/O 事件，与 Client 建立连接，生成 NioSocketChannel，并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上； 3）处理任务队列中的任务，runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务，或者其他线程提交到该 eventloop 的任务。

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

1）轮询 Read、Write 事件； 2）处理 I/O 事件，即 Read、Write 事件，在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理； 3）处理任务队列中的任务，runAllTasks。

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景：

① 用户程序自定义的普通任务：

ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
       //...
   }
});

② 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法：

例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。

③ 用户自定义定时任务：

ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
   @Override
   public void run() {
 
   }
}, 60, TimeUnit.SECONDS);

小结

现在推荐使用的主流稳定版本还是 Netty4，Netty5 中使用了 ForkJoinPool，增加了代码的复杂度，但是对性能的改善却不明显，所以这个版本不推荐使用，官网也没有提供下载链接。

Netty 入门门槛相对较高，是因为这方面的资料较少，并不是因为它有多难，大家其实都可以像搞透 Spring 一样搞透 Netty。

在学习之前，建议先理解透整个框架原理结构，运行过程，可以少走很多弯路。

本系列四五卷都对netty源码进行了深入的剖析，如果之前看过的小伙伴建议再结合本篇文章回顾，自己调试一下，如果没看过的小伙伴，正好可以看看

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原始发表：2022-01-28，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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