浅谈netty

Posted 2021-04-30 程序员技术漫谈

官网对netty的介绍：

官网：https://netty.io/  

Netty is an asynchronous event-driven network application framework 

for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients.

Netty 是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序。

1)Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序

2)Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用，相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程

3)Netty 是目前最流行的 NIO 框架，Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

原生NIO存在的问题

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

2)需要具备其他的额外技能：要熟悉 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络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。

3)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、网络拥塞和异常流的处理等等。

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%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决

Netty的优点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装，解决了上述问题。

1.设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池.

2.使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK 5（Netty 3.x）或 6（Netty 4.x）就足够了。

3.高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。

4.安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。

5.社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入

Netty版本说明

1.netty版本分为  netty3.x  和  netty4.x、netty5.x

2.因为Netty5出现重大bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本

3.目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x 和 netty4.1.x

4.在本套课程中，我们讲解 Netty4.1.x 版本

线程模型基本介绍

1.不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清Netty 线程模式，我们来系统的讲解下 各个线程模式， 最后看看Netty 线程模型有什么优越性.

2.目前存在的线程模型有：传统阻塞 I/O 服务模型 和Reactor 模式

3.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

• 单 Reactor 单线程；

• 单 Reactor 多线程；

• 主从 Reactor 多线程

4.Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)

Reactor 模式

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，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等待，无需阻塞等待所有连接。当某个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。Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)

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。

Reactor 模式中 核心组成：

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。

Reactor 模式分类：

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

单 Reactor 单线程

方案说明：

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

结合实例：服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作（包括连接，读、写等），编码简单，清晰明了，但是如果客户端连接数量较多，将无法支撑，前面的 NIO 案例就属于这种模型。

方案优缺点分析：

1.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

2.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

3.缺点：可靠性问题，线程意外终止，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

4.使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

单Reactor多线程：

方案优缺点分析：

优点：可以充分的利用多核cpu 的处理能力

缺点：多线程数据共享和访问比较复杂， reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行（单个reactor）， 在高并发场景容易出现性能瓶颈.

主从 Reactor 多线程

注：图中Reactor子线程可以有多个，图中只画了一个

方案优缺点说明：

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。

优点：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。

缺点：编程复杂度较高

结合实例：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

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（多个subReactor）

2.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.扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源

4.复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性