Netty系列相关面试题汇总

Posted 2021-04-30 愚公要移山

一、Netty基础

1、Netty 是什么？

Netty是 一个异步事件驱动的网络应用程序框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。Netty是基于nio的，它封装了jdk的nio，让我们使用起来更加方法灵活。

2、Netty 的特点是什么？

（1）高并发：Netty 是一款基于 NIO（Nonblocking IO，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于 BIO（Blocking I/O，阻塞IO），他的并发性能得到了很大提高。

（2）传输快：Netty 的传输依赖于零拷贝特性，尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。

（3）封装好：Netty 封装了 NIO 操作的很多细节，提供了易于使用调用接口。

3、Netty 的优势有哪些？

（1）使用简单：封装了 NIO 的很多细节，使用更简单。

（2）功能强大：预置了多种编解码功能，支持多种主流协议。

（3）定制能力强：可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活地扩展。

（4）性能高：通过与其他业界主流的 NIO 框架对比，Netty 的综合性能最优。

（5）稳定：Netty 修复了已经发现的所有 NIO 的 bug，让开发人员可以专注于业务本身。

（6）社区活跃：Netty 是活跃的开源项目，版本迭代周期短，bug 修复速度快。

4、Netty 的应用场景有哪些？

典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo，默认使用 Netty 作为基础通信组件，还有 RocketMQ 也是使用 Netty 作为通讯的基础。

5、Netty 高性能表现在哪些方面？

（1）IO 线程模型：同步非阻塞，用最少的资源做更多的事。

（2）内存零拷贝：尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。

（3）内存池设计：申请的内存可以重用，主要指直接内存。内部实现是用一颗二叉查找树管理内存分配情况。

（4）串形化处理读写：避免使用锁带来的性能开销。

（5）高性能序列化协议：支持 protobuf 等高性能序列化协议。

6、什么是 Netty 的零拷贝？

Netty 的零拷贝主要包含三个方面：

（1）Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行 Socket 读写，JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接内存中，然后才写入 Socket 中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

（2）Netty 提供了组合 Buffer 对象，可以聚合多个 ByteBuffer 对象，用户可以像操作一个 Buffer 那样方便的对组合 Buffer 进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小 Buffer 合并成一个大的 Buffer。

（3）Netty 的文件传输采用了 transferTo 方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel，避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题。

7、Netty 中有哪种重要组件？

（1）Channel：Netty 网络操作抽象类，它除了包括基本的 I/O 操作，如 bind、connect、read、write 等。

（2）EventLoop：主要是配合 Channel 处理 I/O 操作，用来处理连接的生命周期中所发生的事情。

（4）ChannelFuture：Netty 框架中所有的 I/O 操作都为异步的，因此我们需要 ChannelFuture 的 addListener()注册一个 ChannelFutureListener 监听事件，当操作执行成功或者失败时，监听就会自动触发返回结果。

（5）ChannelHandler：充当了所有处理入站和出站数据的逻辑容器。

（6）ChannelHandler 主要用来处理各种事件，这里的事件很广泛，比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。

（7）ChannelPipeline：为 ChannelHandler 链提供了容器，当 channel 创建时，就会被自动分配到它专属的 ChannelPipeline，这个关联是永久性的。

8、BIO、NIO、AIO的区别？

先来看BIO：传统阻塞型I/O(BIO)可以用下图表示：

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。这会带来一些问题：

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，而且连接建立后，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。

再来看IO复用模型：

在I/O复用模型中，会用到select，这个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的的，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

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。

9、什么是事件驱动模型？

通常，我们设计一个事件处理模型的程序有两种思路：

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。
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。

主要包括4个基本组件：

事件队列（event queue）：接收事件的入口，存储待处理事件

分发器（event mediator）：将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元

事件通道（event channel）：分发器与处理器之间的联系渠道

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：

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

高性能，基于队列暂存事件，能方便并行异步处理事件

10、Reactor线程模型

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。

Reactor模型中有2个关键组成：

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

可以这样理解，Reactor就是一个执行while (true) { selector.select(); …}循环的线程，会源源不断的产生新的事件，称作反应堆很贴切。

11、Netty的线程模型？

Netty通过Reactor模型基于多路复用器接收并处理用户请求，内部实现了两个线程池，boss线程池和work线程池，其中boss线程池的线程负责处理请求的accept事件，当接收到accept事件的请求时，把对应的socket封装到一个NiosocketChannel中，并交给work线程池，其中work线程池负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。

因此若是想回答这个问题，就需要先对上一题有一个很好地了解。

（1）单线程模型：所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。既要接收客户端的连接请求,向服务端发起连接，又要发送/读取请求或应答/响应消息。一个NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，速度慢，若线程进入死循环，整个程序不可用，对于高负载、大并发的应用场景不合适。

（2）多线程模型：有一个NIO 线程（Acceptor） 只负责监听服务端，接收客户端的TCP 连接请求；NIO 线程池负责网络IO 的操作，即消息的读取、解码、编码和发送；1 个NIO 线程可以同时处理N 条链路，但是1 个链路只对应1 个NIO 线程，这是为了防止发生并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时，一个Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

（3）主从多线程模型：Acceptor 线程用于绑定监听端口，接收客户端连接，将SocketChannel 从主线程池的Reactor 线程的多路复用器上移除，重新注册到Sub 线程池的线程上，用于处理I/O 的读写等操作，从而保证mainReactor只负责接入认证、握手等操作；

12、TCP 粘包/拆包的原因及解决方法？

TCP是以流的方式来处理数据，一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送，也可能把小的封装成一个大的数据包发送。

TCP粘包/分包的原因：

应用程序写入的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小，会发生拆包现象，而应用程序写入数据小于套接字缓冲区大小，网卡将应用多次写入的数据发送到网络上，这将会发生粘包现象；

进行MSS大小的TCP分段，当TCP报文长度-TCP头部长度>MSS的时候将发生拆包
以太网帧的payload（净荷）大于MTU（1500字节）进行ip分片。

解决方法：

（1）消息定长：FixedLengthFrameDecoder类

（2）包尾增加特殊字符分割：

行分隔符类：LineBasedFrameDecoder

或自定义分隔符类 ：DelimiterBasedFrameDecoder

（3）将消息分为消息头和消息体：LengthFieldBasedFrameDecoder类。分为有头部的拆包与粘包、长度字段在前且有头部的拆包与粘包、多扩展头部的拆包与粘包。

13、JDK原生NIO程序有什么问题？

JDK原生也有一套网络应用程序API，但是存在一系列问题，主要如下：

（1）NIO的类库和API繁杂，使用麻烦，你需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等

（2）需要其它额外技能做铺垫，例如熟悉Java多线程编程，因为NIO编程涉及到Reactor模式，你必须对多线程和网路编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序

（3）可靠性能力补齐，开发工作量和难度都非常大。例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处理等等，NIO编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐工作量和难度都非常大

（4）JDK NIO的BUG，例如臭名昭著的epoll bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK1.6版本的update18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该bug发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决

14、Netty常见使用场景（重要）

Netty常见的使用场景如下：

（1）互联网行业 在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的RPC框架必不可少，Netty作为异步高新能的通信框架,往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用。典型的应用有：阿里分布式服务框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo协议进行节点间通信，Dubbo协议默认使用Netty作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信。

（2）游戏行业 无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java语言得到了越来越广泛的应用。Netty作为高性能的基础通信组件，它本身提供了TCP/UDP和HTTP协议栈。非常方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器，地图服务器之间可以方便的通过Netty进行高性能的通信

（3）大数据领域 经典的Hadoop的高性能通信和序列化组件Avro的RPC框架，默认采用Netty进行跨界点通信，它的Netty Service基于Netty框架二次封装实现

15、Netty架构设计

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

现在稳定推荐使用的主流版本还是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。

二、Netty原理

1、什么是 Netty 的零拷贝？

Netty 的零拷贝主要包含三个方面：

（1）Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行 Socket 读写，JVM 会将堆内存 Buffer 拷贝一份到直接内存中，然后才写入 Socket 中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

（2）Netty 提供了组合 Buffer 对象，可以聚合多个 ByteBuffer 对象，用户可以像操作一个 Buffer 那样方便的对组合 Buffer 进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小 Buffer 合并成一个大的 Buffer。

（3）Netty 的文件传输采用了 transferTo 方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel，避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题。

2、Netty 中有哪种重要组件？

Channel：Netty 网络操作抽象类，它除了包括基本的 I/O 操作，如 bind、connect、read、write 等。

EventLoop：主要是配合 Channel 处理 I/O 操作，用来处理连接的生命周期中所发生的事情。

ChannelFuture：Netty 框架中所有的 I/O 操作都为异步的，因此我们需要 ChannelFuture 的 addListener()注册一个 ChannelFutureListener 监听事件，当操作执行成功或者失败时，监听就会自动触发返回结果。

ChannelHandler：充当了所有处理入站和出站数据的逻辑容器。ChannelHandler 主要用来处理各种事件，这里的事件很广泛，比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。

ChannelPipeline：为 ChannelHandler 链提供了容器，当 channel 创建时，就会被自动分配到它专属的 ChannelPipeline，这个关联是永久性的。

3、Netty 发送消息有几种方式？

Netty 有两种发送消息的方式：

（1）直接写入 Channel 中，消息从 ChannelPipeline 当中尾部开始移动；

（2）写入和 ChannelHandler 绑定的 ChannelHandlerContext 中，消息从 ChannelPipeline 中的下一个 ChannelHandler 中移动。

4、默认情况 Netty 起多少线程？何时启动？

Netty 默认是 CPU 处理器数的两倍，bind 完之后启动。

5、了解哪几种序列化协议？

序列化（编码）是将对象序列化为二进制形式（字节数组），主要用于网络传输、数据持久化等；而反序列化（解码）则是将从网络、磁盘等读取的字节数组还原成原始对象，主要用于网络传输对象的解码，以便完成远程调用。

影响序列化性能的关键因素：序列化后的码流大小（网络带宽的占用）、序列化的性能（CPU资源占用）；是否支持跨语言（异构系统的对接和开发语言切换）。

（1）Java默认提供的序列化：无法跨语言、序列化后的码流太大、序列化的性能差

（2）XML，优点：人机可读性好，可指定元素或特性的名称。缺点：序列化数据只包含数据本身以及类的结构，不包括类型标识和程序集信息；只能序列化公共属性和字段；不能序列化方法；文件庞大，文件格式复杂，传输占带宽。适用场景：当做配置文件存储数据，实时数据转换。

（3）JSON，是一种轻量级的数据交换格式，优点：兼容性高、数据格式比较简单，易于读写、序列化后数据较小，可扩展性好，兼容性好、与XML相比，其协议比较简单，解析速度比较快。缺点：数据的描述性比XML差、不适合性能要求为ms级别的情况、额外空间开销比较大。适用场景（可替代ＸＭＬ）：跨防火墙访问、可调式性要求高、基于Web browser的Ajax请求、传输数据量相对小，实时性要求相对低（例如秒级别）的服务。

（4）Fastjson，采用一种“假定有序快速匹配”的算法。优点：接口简单易用、目前java语言中最快的json库。缺点：过于注重快，而偏离了“标准”及功能性、代码质量不高，文档不全。适用场景：协议交互、Web输出、android客户端

（5）Thrift，不仅是序列化协议，还是一个RPC框架。优点：序列化后的体积小, 速度快、支持多种语言和丰富的数据类型、对于数据字段的增删具有较强的兼容性、支持二进制压缩编码。缺点：使用者较少、跨防火墙访问时，不安全、不具有可读性，调试代码时相对困难、不能与其他传输层协议共同使用（例如HTTP）、无法支持向持久层直接读写数据，即不适合做数据持久化序列化协议。适用场景：分布式系统的RPC解决方案

（6）Avro，Hadoop的一个子项目，解决了JSON的冗长和没有IDL的问题。优点：支持丰富的数据类型、简单的动态语言结合功能、具有自我描述属性、提高了数据解析速度、快速可压缩的二进制数据形式、可以实现远程过程调用RPC、支持跨编程语言实现。缺点：对于习惯于静态类型语言的用户不直观。适用场景：在Hadoop中做Hive、Pig和MapReduce的持久化数据格式。

（7）Protobuf，将数据结构以.proto文件进行描述，通过代码生成工具可以生成对应数据结构的POJO对象和Protobuf相关的方法和属性。优点：序列化后码流小，性能高、结构化数据存储格式（XML JSON等）、通过标识字段的顺序，可以实现协议的前向兼容、结构化的文档更容易管理和维护。缺点：需要依赖于工具生成代码、支持的语言相对较少，官方只支持Java 、C++ 、python。适用场景：对性能要求高的RPC调用、具有良好的跨防火墙的访问属性、适合应用层对象的持久化

（8）其它

protostuff 基于protobuf协议，但不需要配置proto文件，直接导包即可

Jboss marshaling 可以直接序列化java类， 无须实java.io.Serializable接口

Message pack 一个高效的二进制序列化格式

Hessian 采用二进制协议的轻量级remoting onhttp工具

kryo 基于protobuf协议，只支持java语言,需要注册（Registration），然后序列化（Output），反序列化（Input）

6、Netty 支持哪些心跳类型设置？

（1）readerIdleTime：为读超时时间（即测试端一定时间内未接受到被测试端消息）。

（2）writerIdleTime：为写超时时间（即测试端一定时间内向被测试端发送消息）。

（3）allIdleTime：所有类型的超时时间。

7、Netty 和 Tomcat 的区别？

作用不同：Tomcat 是 Servlet 容器，可以视为 Web 服务器，而 Netty 是异步事件驱动的网络应用程序框架和工具用于简化网络编程，例如TCP和UDP套接字服务器。

协议不同：Tomcat 是基于 http 协议的 Web 服务器，而 Netty 能通过编程自定义各种协议，因为 Netty 本身自己能编码/解码字节流，所有 Netty 可以实现，HTTP 服务器、FTP 服务器、UDP 服务器、RPC 服务器、WebSocket 服务器、Redis 的 Proxy 服务器、mysql 的 Proxy 服务器等等。

8、NIOEventLoopGroup源码？

NioEventLoopGroup(其实是MultithreadEventExecutorGroup) 内部维护一个类型为 EventExecutor children [], 默认大小是处理器核数 * 2, 这样就构成了一个线程池，初始化EventExecutor时NioEventLoopGroup重载newChild方法，所以children元素的实际类型为NioEventLoop。

线程启动时调用SingleThreadEventExecutor的构造方法，执行NioEventLoop类的run方法，首先会调用hasTasks()方法判断当前taskQueue是否有元素。如果taskQueue中有元素，执行 selectNow() 方法，最终执行selector.selectNow()，该方法会立即返回。如果taskQueue没有元素，执行 select(oldWakenUp) 方法

select ( oldWakenUp) 方法解决了 Nio 中的 bug，selectCnt 用来记录selector.select方法的执行次数和标识是否执行过selector.selectNow()，若触发了epoll的空轮询bug，则会反复执行selector.select(timeoutMillis)，变量selectCnt 会逐渐变大，当selectCnt 达到阈值（默认512），则执行rebuildSelector方法，进行selector重建，解决cpu占用100%的bug。

rebuildSelector方法先通过openSelector方法创建一个新的selector。然后将old selector的selectionKey执行cancel。最后将old selector的channel重新注册到新的selector中。rebuild后，需要重新执行方法selectNow，检查是否有已ready的selectionKey。

接下来调用processSelectedKeys 方法（处理I/O任务），当selectedKeys != null时，调用processSelectedKeysOptimized方法，迭代 selectedKeys 获取就绪的 IO 事件的selectkey存放在数组selectedKeys中, 然后为每个事件都调用 processSelectedKey 来处理它，processSelectedKey 中分别处理OP_READ；OP_WRITE；OP_CONNECT事件。

最后调用runAllTasks方法（非IO任务），该方法首先会调用fetchFromScheduledTaskQueue方法，把scheduledTaskQueue中已经超过延迟执行时间的任务移到taskQueue中等待被执行，然后依次从taskQueue中取任务执行，每执行64个任务，进行耗时检查，如果已执行时间超过预先设定的执行时间，则停止执行非IO任务，避免非IO任务太多，影响IO任务的执行。

每个NioEventLoop对应一个线程和一个Selector，NioServerSocketChannel会主动注册到某一个NioEventLoop的Selector上，NioEventLoop负责事件轮询。

Outbound 事件都是请求事件, 发起者是 Channel，处理者是 unsafe，通过 Outbound 事件进行通知，传播方向是 tail到head。Inbound 事件发起者是 unsafe，事件的处理者是 Channel, 是通知事件，传播方向是从头到尾。

ByteBuf的特点：支持自动扩容（4M），保证put方法不会抛出异常、通过内置的复合缓冲类型，实现零拷贝（zero-copy）；不需要调用flip()来切换读/写模式，读取和写入索引分开；方法链；引用计数基于AtomicIntegerFieldUpdater用于内存回收；PooledByteBuf采用二叉树来实现一个内存池，集中管理内存的分配和释放，不用每次使用都新建一个缓冲区对象。UnpooledHeapByteBuf每次都会新建一个缓冲区对象。

9、什么是epoll bug？

有一篇文章我觉得写得挺全面的，从前面出现的原因，再到代码重现，文章是博客园的：https://www.cnblogs.com/jayit/p/8241634.html

若Selector的轮询结果为空，也没有wakeup或新消息处理，则发生空轮询，CPU使用率100%，

Netty的解决办法

（1）对Selector的select操作周期进行统计，每完成一次空的select操作进行一次计数，

（2）若在某个周期内连续发生N次空轮询，则触发了epoll死循环bug。

（3）重建Selector，判断是否是其他线程发起的重建请求，若不是则将原SocketChannel从旧的Selector上去除注册，重新注册到新的Selector上，并将原来的Selector关闭。