一、Netty概述

1.1 原生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 CPU100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

1.2 Netty官网说明

• 官网
• Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients
  

1.3 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。

1.4 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。
• 目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x和 netty4.1.x。
• netty下载

二、Netty高性能架构设计

2.1 线程模型基本介绍

• 不同的线程模式，对程序的性能有很大影响。
• 目前存在的线程模型有：
  • 传统阻塞I/O服务模型。
  • 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(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)。

2.2 传统阻塞 I/O 服务模型

2.2.1 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)。
  

2.2.2 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,数据返回。

2.2.3 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。

2.3 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。

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想：

• 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。

Reactor 模式中核心组成:

• 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。

2.4 单Reactor单线程

2.4.1 方案说明

• 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。

• 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。

• 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。

• 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，前面的 NIO 案例就属于这种模型。

2.4.2 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。

2.5 单Reactor多线程

2.5.1 原理图

2.5.2 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。
• 如果建立连接请求,则右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。
• 如果不是连接请求，则由reactor分发调用连接对应的handler来处理。
• 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。
• 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。
• handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client。

2.5.3 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。

2.6 主从Reactor多线程

2.6.1 工作原理图

• 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。
  

2.6.2 方案说明

• 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。
• 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor将连接分配给 SubReactor。
• 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。
• 当有新事件发生时，subreactor就会调用对应的handler处理。
• handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理。
• worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果。
• handler 收到响应的结果后，再通过send将结果返回给client。
• Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程, 即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor。

2.6.3 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。

2.7 Reactor模式小结

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

2.8 Netty模型

2.8.1 工作原理示意图1-简单版

• Netty 主要基于主从 Reactors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。
  
• BossGroup 线程维护 Selector, 只关注 Accecpt。
• 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，就进行处理(就由handler)，注意handler已经加入到通道。

2.8.2 工作原理示意图2-进阶版

2.8.3 工作原理示意图-详细版

• 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。
• BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup。
• 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。
• 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。
• NioEventLoopGroup 可以有多个线程, 即可以含有多个 NioEventLoop。
• 每个 BossNioEventLoop 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 worker NIOEventLoop 上的 selector。
  • 处理任务队列的任务 ，即 runAllTasks。
• 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤:
  • 轮询 read, write 事件。
  • 处理 i/o 事件， 即 read , write 事件，在对应 NioScocketChannel处理。
  • 处理任务队列的任务 ， 即 runAllTasks。
• 每个Worker 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。

2.8.4 Netty快速入门实例-TCP服务

• Netty 服务器在 6669 端口监听，客户端能发送消息给服务器 "hello, 服务器~"。

• 服务器可以回复消息给客户端 "hello, 客户端~"。

• 目的:对Netty线程模型有一个初步认识,便于理解Netty模型理论。

• NettyServer

  public class NettyServer {
        
      public static void main(String[] args) throws Exception {
        
          //创建BossGroup和WorkerGroup
          //说明
          //1. 创建两个线程组bossGroup和workerGroup
          //2. bossGroup只是处理连接请求,真正的和客户端业务处理，会交给workerGroup完成
          //3. 两个都是无限循环
          //4. bossGroup和workerGroup含有的子线程(NioEventLoop)的个数
          //默认实际cpu核数*2
          EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
          EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
          try {
        
              //创建服务器端的启动对象，配置参数
              ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
              //使用链式编程来进行设置
              bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组
                      .channel(NioServerSocketChannel.class) //使用NioSocketChannel作为服务器的通道实现
                      .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) //设置线程队列得到连接个数
                      .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) //设置保持活动连接状态
                      .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        //创建一个通道测试对象(匿名对象)
                          //给pipeline设置处理器
                          @Override
                          protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        
                              ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                          }
                      });
              //给我们的workerGroup的EventLoop对应的管道设置处理器
              System.out.println(".....服务器 is ready...");
              //绑定一个端口并且同步, 生成了一个ChannelFuture对象
              //启动服务器(并绑定端口)
              ChannelFuture cf = bootstrap.bind(6669).sync();
              //对关闭通道进行监听
              cf.channel().closeFuture().sync();
          } finally {
        
              bossGroup.shutdownGracefully();
              workerGroup.shutdownGracefully();
          }
      }
  }
  

• NettyServerHandler

  /**
   * 1. 我们自定义一个Handler需要继承netty规定好的某个HandlerAdapter(规范)
   * 2. 这时我们自定义一个Handler, 才能称为一个handler
   */
  public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        
  
      /**
       * 读取数据实际(这里我们可以读取客户端发送的消息)
       * @param ctx 上下文对象, 含有管道pipeline, 通道channel,地址
       * @param msg 客户端发送的数据 默认Object
       * @throws Exception
       */
      @Override
      public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        
          System.out.println("服务器读取线程 " + Thread.currentThread().getName());
          System.out.println("server ctx =" + ctx);
          System.out.println("看看channel和pipeline的关系");
          Channel channel = ctx.channel();
          ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站
          //将msg转成一个ByteBuf
          //ByteBuf是Netty提供的，不是NIO的ByteBuffer.
          ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
          System.out.println("客户端发送消息是:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
          System.out.println("客户端地址:" + channel.remoteAddress());
      }
  
      //数据读取完毕
      @Override
      public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        
          //writeAndFlush是write+flush
          //将数据写入到缓存，并刷新
          //一般讲，我们对这个发送的数据进行编码
          ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端~(>^ω^<)喵", CharsetUtil.UTF_8));
      }
  
      //处理异常, 一般是需要关闭通道
      @Override
      public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        
          ctx.close();
      }
  }
  

• NettyClient

  public class NettyClient {
        
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        
          //客户端需要一个事件循环组
          EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
          try {
        
              //创建客户端启动对象
              //注意客户端使用的不是ServerBootstrap而是Bootstrap
              Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
              //设置相关参数
              bootstrap.group(group) //设置线程组
                      .channel(NioSocketChannel.class) //设置客户端通道的实现类(反射)
                      .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        
                          @Override
                          protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        
                              //加入自己的处理器
                              ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
                          }
                      });
              System.out.println("客户端 ok..");
              //启动客户端去连接服务器端
              //关于ChannelFuture要分析，涉及到netty的异步模型
              ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 6669).sync(); //给关闭通道进行监听
              channelFuture.channel().closeFuture().sync();
          }finally {
        
              group.shutdownGracefully();
          }
      }
  }
  

• NettyClientHandler

  public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        
      //当通道就绪就会触发该方法
      @Override
      public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        
          System.out.println("client " + ctx);
          ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, server: (>^ω^<)喵", CharsetUtil.UTF_8));
      }
  
      //当通道有读取事件时，会触发
      @Override
      public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        
          ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
          System.out.println("服务器回复的消息:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
          System.out.println("服务器的地址: " + ctx.channel().remoteAddress());
      }
  
      @Override
      public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        
          cause.printStackTrace();
          ctx.close();
      }
  }