Netty 笔记整理
Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，它提供了对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的NIO框架构建。
为什么选择Netty
Netty是业界最流行的NIO框架之一，它的健壮性、功能、性能、可定制性和可扩展性在同类框架中都是首屈一指的，它已经得到成百上千的商用项目验证，例如Hadoop的RPC框架avro使用Netty作为底层通信框架；很多其他业界主流的RPC框架，也使用Netty来构建高性能的异步通信能力。
Netty架构分析
Netty 采用了比较典型的三层网络架构进行设计，逻辑架构图如下所示：
#第一层，Reactor 通信调度层，它由一系列辅助类完成，包括 Reactor 线程 NioEventLoop 以及其父类、NioSocketChannel/NioServerSocketChannel 以及其父 类、ByteBuffer 以及由其衍生出来的各种 Buffer、Unsafe 以及其衍生出的各种内部类等。该层的主要职责就是监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，例如连接创建、连接激活、读事 件、写事件等等，将这些事件触发到 PipeLine 中，由 PipeLine 充当的职责链来进行后续的处理。
#第二层，职责链 PipeLine，它负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链可以选择监听和处理自己关心的事件，它可以拦截处理和向后/向前传播事件，不同的应用的 Handler 节点的功能也不同，通常情况下，往往会开发编解码 Hanlder 用于消息的编解码，它可以将外部的协议消息转换成内部的 POJO 对象，这样上层业务侧只需要关心处理业务逻辑即可，不需要感知底层的协议差异和线程模型差异，实现了架构层面的分层隔离。
#第三层，业务逻辑处理层。可以分为两类：纯粹的业务逻辑 处理，例如订单处理；应用层协议管理，例如 HTTP 协议、FTP 协议等。
I/O模型
传统同步阻塞I/O模式如下图所示：
几种I/O模型的功能和特性对比：
Netty的I/O模型基于非阻塞I/O实现，底层依赖的是JDK NIO框架的Selector。Selector提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。
一个多路复用器Selector可以同时轮询多个Channel，由于JDK1.5_update10版本（+）使用了epoll()代替传统的select实现，所以它并没有最大连接句柄1024/2048的限制。这也就意味着只需要一个线程负责Selector的轮询，就可以接入成千上万的客户端，这确实是个非常巨大的技术进步。使用非阻塞I/O模型之后，Netty解决了传统同步阻塞I/O带来的性能、吞吐量和可靠性问题。
线程调度模型
常用的Reactor线程模型有三种，分别如下：
#Reactor单线程模型：Reactor单线程模型，指的是所有的I/O操作都在同一个NIO线程上面完成。对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型。
#Reactor多线程模型：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I/O操作。主要用于高并发、大业务量场景。
#主从Reactor多线程模型：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。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。
事实上，Netty的线程模型并非固定不变，通过在启动辅助类中创建不同的EventLoopGroup实例并通过适当的参数配置，就可以支持上述三种Reactor线程模型.
在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能的避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。
为了尽可能提升性能，Netty采用了串行无锁化设计，在I/O线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。
Reactor模型
Java NIO非堵塞技术实际是采取反应器模式，或者说是观察者（observer）模式为我们监察I/O端口，如果有内容进来，会自动通知我们，这样，我们就不必开启多个线程死等，从外界看，实现了流畅的I/O读写，不堵塞了。
NIO 有一个主要的类Selector，这个类似一个观察者，只要我们把需要探知的socketchannel告诉Selector，我们接着做别的事情，当有事件发生时，他会通知我们，传回一组SelectionKey，我们读取这些Key，就会获得我们刚刚注册过的socketchannel，然后，我们从这个Channel中读取数据，接着我们可以处理这些数据。
反应器模式与观察者模式在某些方面极为相似：当一个主体发生改变时，所有依属体都得到通知。不过，观察者模式与单个事件源关联，而反应器模式则与多个事件源关联 。
一般模型
EventLoopGroup：对应于Reactor模式中的定时器的角色，不断地检索是否有事件可用（I/O线程-BOSS），然后交给分离者将事件分发给对应的事件绑定的handler（WORK线程）。
经验分享：在客户端编程中经常容易出现在EVENTLOOP上做定时任务的，如果定时任务耗时很长或者存在阻塞，那么可能会将I/O操作挂起（因为要等到定时任务做完才能做别的操作)。解决方法：用独立的EventLoopGroup
序列化方式
影响序列化性能的关键因素总结如下：
- 序列化后的码流大小（网络带宽占用）
- 序列化&反序列化的性能（CPU资源占用）
- 并发调用的性能表现：稳定性、线性增长、偶现的时延毛刺等
对Java序列化和二进制编码分别进行性能测试，编码100万次，测试结果表明：Java序列化的性能只有二进制编码的6.17%左右。
Netty默认提供了对Google Protobuf的支持，通过扩展Netty的编解码接口，用户可以实现其它的高性能序列化框架，例如Thrift的压缩二进制编解码框架。
不同的应用场景对序列化框架的需求也不同，对于高性能应用场景Netty默认提供了Google的Protobuf二进制序列化框架，如果用户对其它二进制序列化框架有需求，也可以基于Netty提供的编解码框架扩展实现。
Netty架构剖析之可靠性
Netty面临的可靠性挑战：
1. 作为RPC框架的基础网络通信框架，一旦故障将导致无法进行远程服务（接口）调用。
2. 作为应用层协议的基础通信框架，一旦故障将导致应用协议栈无法正常工作。
3. 网络环境复杂（例如推送服务的GSM/3G/WIFI网络），故障不可避免，业务却不能中断。
从应用场景看，Netty是基础的通信框架，一旦出现Bug，轻则需要重启应用，重则可能导致整个业务中断。它的可靠性会影响整个业务集群的数据通信和交换，在当今以分布式为主的软件架构体系中，通信中断就意味着整个业务中断，分布式架构下对通信的可靠性要求非常高。
从运行环境看，Netty会面临恶劣的网络环境，这就要求它自身的可靠性要足够好，平台能够解决的可靠性问题需要由Netty自身来解决，否则会导致上层用户关注过多的底层故障，这将降低Netty的易用性，同时增加用户的开发和运维成本。
Netty的可靠性是如此重要，它的任何故障都可能会导致业务中断，蒙受巨大的经济损失。因此，Netty在版本的迭代中不断加入新的可靠性特性来满足用户日益增长的高可靠和健壮性需求。
链路有效性检测
Netty提供的心跳检测机制分为三种：
- 读空闲，链路持续时间t没有读取到任何消息
- 写空闲，链路持续时间t没有发送任何消息
- 读写空闲，链路持续时间t没有接收或者发送任何消息
This chapter requires login to view full content. You are viewing a preview.
Login to View Full ContentCourse Curriculum
编程根基：数据结构、算法与系统基础
Java 内核：JVM 与并发编程
框架与 I/O：Spring、Netty 与 Web 容器
高性能中间件：消息、缓存与存储
架构能力：高可用、DDD 与系统设计
云原生：容器化、可观测性与工程效能
Speaker
