Netty简介与零拷贝

零拷贝

我们说零拷贝，是从操作系统的角度来说的。因为内核缓冲区之间，没有数据是重复的（只有 kernel buffer 有一份数据），也就是说，是没有CPU拷贝的。

零拷贝不仅仅带来更少的数据复制，还能带来其他的性能优势，例如更少的上下文切换，更少的 CPU 缓存伪共享以及无 CPU 校验和计算。

在 Java 程序中，常用的零拷贝有 mmap(内存映射) 和 sendFile。

传统IO

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传统的IO模型，从数据传输到客户端需要经过3次上下文切换,4次数据拷贝。

上下文切换：从用户态–>内核态–>用户态–>内核态

数据拷贝：DMA–>内核态->用户态–>Socket缓冲区–>TCP协议(网卡)

mmap

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mmap通过内存映射，将文件映射到内核缓冲区，同时，用户空间可以共享内核空间的数据。这样，在进行网络传输时，就可以减少内核空间到用户控件的拷贝次数。

mmap实现了3次上下文切换，3次数据拷贝。

sendFile

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Linux 2.1 版本 提供了 sendFile 函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入到 Socket Buffer，同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次上下文切换。

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Linux 在 2.4 版本中，做了一些修改，避免了从内核缓冲区拷贝到 Socket buffer 的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少了数据拷贝。

这里其实有 一次cpu 拷贝： 内核态–> socket buffer，但是，拷贝的信息很少，比如lenght ,offset, 消耗低，可以忽略。

区别

mmap 适合小数据量读写，sendFile 适合大文件传输。

mmap 需要 3 次上下文切换，3 次数据拷贝；sendFile 需要 2 次上下文切换，最少 2 次数据拷贝。

sendFile 可以利用DMA 方式，减少 CPU 拷贝，mmap 则不能（必须从内核拷贝到 Socket 缓冲区）。

Netty介绍

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

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

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。

NIO存在的问题

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

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。

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。

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.

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。
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。

安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
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

netty版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x
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。
下载地址

线程模型

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.

目前存在的线程模型有：传统阻塞 I/O 服务模型 和Reactor 模式。

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

Netty 线程模式：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。

传统阻塞 I/O 服务模型

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工作原理图
黄色的框表示对象， 蓝色的框表示线程，白色的框表示方法(API)。

模型特点
采用阻塞IO模式获取输入的数据，每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理和数据返回。

问题分析
当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源，连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在read操作，造成线程资源浪费。

Reactor 模式

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：

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)

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。

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Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)。

服务器端程序处理传入的多个请求，并将它们同步分派到相应的处理线程， 因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式。

Reactor 模式使用IO复用监听事件， 收到事件后，分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键。

核心组成

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；

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。

单 Reactor 单线程

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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。

  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，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。

方案优缺点分析：

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
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。

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

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  1. 方案说明：
    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。

  1. 如果建立连接请求, 则由Acceptor 通过accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件。

  2. 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理。

  3. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后，会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务。

  4. worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给handler。

  5. handler收到响应后，通过send 将结果返回给client。

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， 在高并发场景容易出现性能瓶颈。

主从 Reactor 多线程

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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 监听连接事件, 收到事件后，通过Acceptor 处理连接事件。

  1. 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给SubReactor。

  2. Subreactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建handler进行各种事件处理。

  3. 当有新事件发生时， Subreactor 就会调用对应的handler处理。

  4. handler 通过read 读取数据，分发给后面的worker 线程处理。

  5. worker 线程池分配独立的worker 线程进行业务处理，并返回结果。

  6. handler 收到响应的结果后，再通过send 将结果返回给client。

  7. Reactor 主线程可以对应多个Reactor 子线程, 即MainRecator 可以关联多个SubReactor。

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。

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。

总结

3 种模式用生活案例来理解：
单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服

单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待

主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

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。

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

Netty模型

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

BossGroup 线程维护Selector , 只关注Accept。

当接收到Accept事件，获取到对应的SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel并注册到Worker 线程(事件循环), 并进行维护

当Worker线程监听到Selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就由handler进行处理， 注意handler 已经加入到通道。

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工作原理

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  1. Netty抽象出两组线程池BossGroup专门负责接收客户端的连接,WorkerGroup 专门负责网络的读写。

  2. BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup。

  3. NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环 ，每一个事件循环是 NioEventLoop。

  4. NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程， 每个NioEventLoop 都有一个selector , 用于监听绑定在其上的socket的网络通讯。

  5. NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个NioEventLoop。

  6. 每个BossGroup的NioEventLoop 循环执行的步骤有3步：

    • 轮询accept 事件。

    • 处理accept 事件，与client建立连接 , 生成NioScocketChannel , 并将其注册到某个workerGroup的NIOEventLoop 上的 selector中。

    • 处理任务队列的任务 ， 即runAllTasks。

  7. 每个WorkerGroup的NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道)，pipeline 中包含了 channel , 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的处理器。

最后更新： 2020年09月08日 22:22

原始链接： https://midkuro.gitee.io/2020/08/03/netty-model/

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