前言
Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，提供了对TCP、UDP和文件传输的支持，作为一个异步NIO框架，Netty的所有IO操作都是异步非阻塞的，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。
作为当前最流行的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，一些业界著名的开源组件也基于Netty构建，比如RPC框架、zookeeper等。
那么，Netty性能为啥这么高？主要是因为其内部Reactor模型的实现。
Reactor模型
Netty中的Reactor模型主要由多路复用器(Acceptor)、事件分发器(Dispatcher)、事件处理器(Handler)组成，可以分为三种。
1、单线程模型：所有I/O操作都由同一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。
Reactor单线程模型示意图如下所示：
由于Reactor模式使用的是异步非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户线程可以通过消息编码通过NIO线程将消息发送给客户端。
对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用场景却不合适，主要原因如下：
1）一个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送；
2）当NIO线程负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了NIO线程的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，成为系统的性能瓶颈；
3）可靠性问题：一旦NIO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。
2、多线程模型：为了解决单线程模型存在的一些问题，演化而来的Reactor线程模型。
Rector多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作，它的原理图如下：
Reactor多线程模型的特点：
1）有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；
2）网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送；
3）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，防止发生并发操作问题。
在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求；但是，在极个别特殊场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如并发百万客户端连接，或者服务端需要对客户端握手进行安全认证，但是认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。
3、主从多线程模型：采用多个reactor，每个reactor都在自己单独的线程里执行。如果是多核，则可以同时响应多个客户端的请求，一旦链路建立成功就将链路注册到负责I/O读写的SubReactor线程池上。
主从Reactor线程模型的特点是：服务端用于接收客户端连接的不再是个1个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO线程池（sub reactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。
它的线程模型如下图所示：
利用主从NIO线程模型，可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。
它的工作流程总结如下：
- 从主线程池中随机选择一个Reactor线程作为Acceptor线程，用于绑定监听端口，接收客户端连接；
- Acceptor线程接收客户端连接请求之后创建新的SocketChannel，将其注册到主线程池的其它Reactor线程上，由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作；
- 步骤2完成之后，业务层的链路正式建立，将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除，重新注册到Sub线程池的线程上，用于处理I/O的读写操作。
示例代码
以下是server和client的示例代码，其中使用的是 Netty 4.x，先看看如何实现，后续会针对各个模块进行深入分析。
server 代码实现
public class EchoServer {
private final int port;
public EchoServer(int port) {
this.port = port;
}
public void run() throws Exception {
// Configure the server.
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); // (1)
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); // (2)
b.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class) // (3)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // (4)
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(
//new LoggingHandler(LogLevel.INFO),
new EchoServerHandler());
}
});
// Start the server.
ChannelFuture f = b.bind(port).sync(); // (5)
// Wait until the server socket is closed.
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// Shut down all event loops to terminate all threads.
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
int port;
if (args.length > 0) {
port = Integer.parseInt(args[0]);
} else {
port = 8080;
}
new EchoServer(port).run();
}
}
EchoServerHandler 实现
public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private static final Logger logger = Logger.getLogger(
EchoServerHandler.class.getName());
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ctx.write(msg);
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.flush();
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
// Close the connection when an exception is raised.
logger.log(Level.WARNING, "Unexpected exception from downstream.", cause);
ctx.close();
}
}
1、NioEventLoopGroup 是用来处理I/O操作的线程池，Netty对 EventLoopGroup 接口针对不同的传输协议提供了不同的实现。在本例子中，需要实例化两个NioEventLoopGroup，通常第一个称为“boss”，用来accept客户端连接，另一个称为“worker”，处理客户端数据的读写操作。
2、ServerBootstrap 是启动服务的辅助类，有关socket的参数可以通过ServerBootstrap进行设置。
3、这里指定NioServerSocketChannel类初始化channel用来接受客户端请求。
4、通常会为新SocketChannel通过添加一些handler，来设置ChannelPipeline。ChannelInitializer 是一个特殊的handler，其中initChannel方法可以为SocketChannel 的pipeline添加指定handler。
5、通过绑定端口8080，就可以对外提供服务了。
client 代码实现
public class EchoClient {
private final String host;
private final int port;
private final int firstMessageSize;
public EchoClient(String host, int port, int firstMessageSize) {
this.host = host;
this.port = port;
this.firstMessageSize = firstMessageSize;
}
public void run() throws Exception {
// Configure the client.
EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
Bootstrap b = new Bootstrap();
b.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ch.pipeline().addLast(
//new LoggingHandler(LogLevel.INFO),
new EchoClientHandler(firstMessageSize));
}
});
// Start the client.
ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
// Wait until the connection is closed.
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
// Shut down the event loop to terminate all threads.
group.shutdownGracefully();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
final String host = args[0];
final int port = Integer.parseInt(args[1]);
final int firstMessageSize;
if (args.length == 3) {
firstMessageSize = Integer.parseInt(args[2]);
} else {
firstMessageSize = 256;
}
new EchoClient(host, port, firstMessageSize).run();
}
}
EchoClientHandler 实现
public class EchoClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
private static final Logger logger = Logger.getLogger(
EchoClientHandler.class.getName());
private final ByteBuf firstMessage;
/**
* Creates a client-side handler.
*/
public EchoClientHandler(int firstMessageSize) {
if (firstMessageSize <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("firstMessageSize: " + firstMessageSize);
}
firstMessage = Unpooled.buffer(firstMessageSize);
for (int i = 0; i < firstMessage.capacity(); i ++) {
firstMessage.writeByte((byte) i);
}
}
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
ctx.writeAndFlush(firstMessage);
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
ctx.write(msg);
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.flush();
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
// Close the connection when an exception is raised.
logger.log(Level.WARNING, "Unexpected exception from downstream.", cause);
ctx.close();
}
}
参考：