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我巴巴 2018-04-24 10:11:47 浏览2163
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以下内容由动脑five老师的笔记整理而来。

一、概述

Netty是一个Java的开源框架。提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

Netty是一个NIO客户端,服务端框架。允许快速简单的开发网络应用程序。例如:服务端和客户端之间的协议,它简化了网络编程规范。

二、NIO开发的问题

1、NIO类库和API复杂,使用麻烦。
2、需要具备Java多线程编程能力(涉及到Reactor模式)。
3、客户端断线重连、网络不稳定、半包读写、失败缓存、网络阻塞和异常码流等问题处理难度非常大
4、存在部分BUG

NIO进行服务器开发的步骤:

1、创建ServerSocketChannel,配置为非阻塞模式;
2、绑定监听,配置TCP参数;
3、创建一个独立的IO线程,用于轮询多路复用器Selector;
4、创建Selector,将之前创建的ServerSocketChannel注册到Selector上,监听Accept事件;
5、启动IO线程,在循环中执行Select.select()方法,轮询就绪的Channel;
6、当轮询到处于就绪状态的Channel时,需要对其进行判断,如果是OP_ACCEPT状态,说明有新的客户端接入,则调用ServerSocketChannel.accept()方法接受新的客户端;
7、设置新接入的客户端链路SocketChannel为非阻塞模式,配置TCP参数;
8、将SocketChannel注册到Selector上,监听READ事件;
9、如果轮询的Channel为OP_READ,则说明SocketChannel中有新的准备就绪的数据包需要读取,则构造ByteBuffer对象,读取数据包;
10、如果轮询的Channel为OP_WRITE,则说明还有数据没有发送完成,需要继续发送。
NIO的知识可以看我写的前一篇博客:Netty之前篇——NIO基础

三、Netty的优点

1、API使用简单,开发门槛低;
2、功能强大,预置了多种编解码功能,支持多种主流协议;
3、定制功能强,可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活的扩展;
4、性能高,通过与其他业界主流的NIO框架对比,Netty综合性能最优;
5、成熟、稳定,Netty修复了已经发现的NIO所有BUG;
6、社区活跃;
7、经历了很多商用项目的考验。

四、粘包/拆包问题

TCP是一个“流”协议,所谓流,就是没有界限的一串数据。可以想象为河流中的水,并没有分界线。TCP底层并不了解上层业务数据的具体含义,它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分,所以在业务上认为,一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送,也有可能把多个小的包封装成一个大的数据包发送,这就是所谓的TCP粘包和拆包问题。
TCP粘包拆包问题示例图:
_3

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端,由于服务端一次读取到的字节数是不确定的,可能存在以下4种情况。
    1、服务端分两次读取到了两个独立的数据包,分别是D1和D2,没有粘包和拆包;
    2、服务端一次接收到了两个数据包,D1和D2粘合在一起,被称为TCP粘包;
    3、服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容,第二次读取到了D2包的剩余部分内容,这被称为TCP拆包;
    4、服务端分两次读取到了两个数据包,第一次读取到了D1包的部分内容D1_1,第二次读取到了D1包的剩余内容D1_1和D2包的完整内容;

如果此时服务器TCP接收滑窗非常小,而数据包D1和D2比较大,很有可能发生第五种情况,既服务端分多次才能将D1和D2包接收完全,期间发生多次拆包;

问题的解决策略

由于底层的TCP无法理解上层的业务数据,所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的,这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决,根据业界的主流协议的解决方案可归纳如下:
    1)消息定长,例如每个报文的大小为固定长度200字节,如果不够,空位补空格;
    2)在包尾增加回车换行符进行分割,例如FTP协议;
    3)将消息分为消息头和消息体,消息头中包含消息总长度(或消息体总长度)的字段,通常设计思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总程度;
    4)更复杂的应用层协议;

LineBasedFrameDecoder

为了解决TCP粘包/拆包导致的半包读写问题,Netty默认提供了多种编解码器用于处理半包。
LinkeBasedFrameDecoder的工作原理是它一次遍历ByteBuf中的可读字节,判断看是否有“\n”、“\r\n”,如果有,就一次位置为结束位置,从可读索引到结束位置区间的字节就组成一行。它是以换行符为结束标志的编解码,支持携带结束符或者不携带结束符两种解码方式,同时支持配置单行的最大长度。如果连续读取到最大长度后任然没有发现换行符,就会抛出异常,同时忽略掉之前读到的异常码流。

DelimiterBasedFrameDecoder

实现自定义分隔符作为消息的结束标志,完成解码。

FixedLengthFrameDecoder

是固定长度解码器,能够按照指定的长度对消息进行自动解码,开发者不需要考虑TCP的粘包/拆包问题。

五、Netty高性能之道

1、异步非阻塞通信

在IO编程过程中,当需要同时处理多个客户端接入请求时,可以利用多线程或者IO多路复用技术进行处理。IO多路复用技术通过把多个IO的阻塞复用到同一个Selector的阻塞上,从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型相比,IO多路复用的最大优势是系统开销小,系统不需要创建新的额外进程或者线程,也不需要维护这些进程和线程的运行,降低了系统的维护工作量,节省了系统资源。

Netty的IO线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector,可以同时并发处理成百上千个客户端SocketChannel。由于读写操作都是非阻塞的,这就可以充分提升IO线程的运行效率,避免由频繁的IO阻塞导致的线程挂起。另外,由于Netty采用了异步通信模式,一个IO线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作,这从根本上解决了传统同步阻塞IO中 一连接一线程模型,架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

2、高效的Reactor线程模型

    常用的Reactor线程模型有三种,分别如下:

1)、Reactor单线程模型;
_4

2)、Reactor多线程模型;
_5

3)、主从Reactor多线程模型;
_6

    **Reactor单线程模型**
    Reactor单线程模型指的是所有的IO操作都在同一个NIO线程上面完成,NIO线程职责如下:
    1)、作为NIO服务端,接收客户端的TCP连接;
    2)、作为NIO客户端,向服务端发起TCP连接;
    3)、读取通信对端的请求或者应答消息;
    4)、向通信对端发送请求消息或者应答消息;
    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上进行消息编码。用户Handler可以通过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,NIO线程会成为系统的性能瓶颈;
    3)、可靠性问题。一旦NIO线程意外进入死循环,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。
    为了解决这些问题,从而演进出了Reactor多线程模型。

Reactor多线程模型
Reactor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,特点如下:

    1)、有一个专门的NIO线程——Acceptor线程用于监听服务端,接收客户端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、编码、解码和发送;
    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,在极特殊应用场景中,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。例如百万客户端并发连接,或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证,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。

主从Reactor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一个单独的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(subReactor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线程池只用于客户端的登录、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。

    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。Netty官方推荐使用该线程模型。它的工作流程总结如下:

1)、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;
2)、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他Reactor线程上,由其负责接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作;
3)、然后也业务层的链路正式建立成功,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IO的读写操作。

3、无锁化的串行设计

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。为了尽可能地避免锁竞争带来的性能损耗,可以通过串行化设计,既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IO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。

    Netty串行化设计工作原理图如下:

_7

    Netty的NioEventLoop读取到消息后,直接调用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg),只要用户不主动切换线程,一直会由NioEventLoop调用到用户的Handler,期间不进行线程切换。这种串行化处理方式避免了多线程导致的锁竞争,从性能角度看是最优的。

4、高效的并发编程

Netty中高效并发编程主要体现:

1、volatile的大量、正确使用;
2、CAS和原子类的广泛使用;
3、线程安全容器的使用;
4、通过读写锁提升并发性能。

5、高性能的序列化框架

影响序列化性能的关键因素总结如下:

1、序列化后的码流大小(网络宽带的占用);
 2、序列化与反序列化的性能(CPU资源占用);
3、是否支持跨语言(异构系统的对接和开发语言切换)。
Netty默认提供了对GoogleProtobuf的支持,通过扩展Netty的编解码接口,用户可以实现其他的高性能序列化框架

6、零拷贝

Netty的“零拷贝”主要体现在三个方面:

1)、Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS,使用堆外直接内存进行Socket读写,不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存(HEAP BUFFERS)进行Socket读写,JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中,然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存,消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。
2)、第二种“零拷贝 ”的实现CompositeByteBuf,它对外将多个ByteBuf封装成一个ByteBuf,对外提供统一封装后的ByteBuf接口。
3)、第三种“零拷贝”就是文件传输,Netty文件传输类DefaultFileRegion通过transferTo方法将文件发送到目标Channel中。很多操作系统直接将文件缓冲区的内容发送到目标Channel中,而不需要通过循环拷贝的方式,这是一种更加高效的传输方式,提升了传输性能,降低了CPU和内存占用,实现了文件传输的“零拷贝”。
    

7、内存池

随着JVM虚拟机和JIT即时编译技术的发展,对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区Buffer,情况却稍有不同,特别是对于堆外直接内存的分配和回收,是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区,Netty提供了基于内存池的缓冲区重用机制。

8、灵活的TCP参数配置能力

Netty在启动辅助类中可以灵活的配置TCP参数,满足不同的用户场景。合理设置TCP参数在某些场景下对于性能的提升可以起到的显著的效果,总结一下对性能影响比较大的几个配置项:

1)、SO_RCVBUF和SO_SNDBUF:通常建议值为128KB或者256KB;
2)、TCP_NODELAY:NAGLE算法通过将缓冲区内的小封包自动相连,组成较大的封包,阻止大量小封包的发送阻塞网络,从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法;
3)、软中断:如果Linux内核版本支持RPS(2.6.35以上版本),开启RPS后可以实现软中断,提升网络吞吐量。RPS根据数据包的源地址,目的地址以及目的和源端口,计算出一个hash值,然后根据这个hash值来选择软中断运行的CPU。从上层来看,也就是说将每个连接和CPU绑定,并通过这个hash值,来均衡软中断在多个CPU上,提升网络并行处理性能。

下面直接贴上一个主从Reactor线程模型demo
server:

package com.dongnao.nettyLine;
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LineBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class TimeServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port=8080; //服务端默认端口
        new TimeServer().bind(port);
    }
    public void bind(int port) throws Exception{
        //Reactor线程组
        //1用于服务端接受客户端的连接
        EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup();//可以在参数中声明线程个数,默认个数是内核数*2
        //2用于进行SocketChannel的网络读写
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //Netty用于启动NIO服务器的辅助启动类
            ServerBootstrap sb = new ServerBootstrap();
            //将两个NIO线程组传入辅助启动类中
            sb.group(acceptorGroup, workerGroup)
                //设置创建的Channel为NioServerSocketChannel类型
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                //配置NioServerSocketChannel的TCP参数
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                //设置绑定IO事件的处理类
                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                    //每次连接都会执行initChannel方法
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
                        //每次数据传输都会执行addLast里面的方法
                        //处理粘包/拆包问题
                        arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));//换行之前最多只能有1024个字节
                        arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        
                        arg0.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
                    }
                });
            //绑定端口,同步等待成功(sync():同步阻塞方法)
            //ChannelFuture主要用于异步操作的通知回调
            ChannelFuture cf = sb.bind(port).sync();
                
            //等待服务端监听端口关闭
            cf.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //优雅退出,释放线程池资源
            acceptorGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

ChannelHandler

package com.dongnao.nettyLine;

import java.util.Date;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
//        //buf.readableBytes():获取缓冲区中可读的字节数;
//        //根据可读字节数创建数组
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
        String body = (String) msg;
        System.out.println("The time server(Thread:"+Thread.currentThread()+") receive order : "+body+". the counter is : "+ ++counter);
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        //将待发送的消息放到发送缓存数组中
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }
}

client

package com.dongnao.nettyLine;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LineBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;

public class TimeClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port=8080; //服务端默认端口
        new TimeClient().connect(port, "127.0.0.1");
    }
    public void connect(int port, String host) throws Exception{
        //配置客户端NIO线程组
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bs = new Bootstrap();
            bs.group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                    @Override
                    //创建NIOSocketChannel成功后,在进行初始化时,将它的ChannelHandler设置到ChannelPipeline中,用于处理网络IO事件
                    protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
                        //处理粘包/拆包问题
                        arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
                        arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        
                        arg0.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                    }
                });
            //发起异步连接操作
            ChannelFuture cf = bs.connect(host, port).sync();
            //等待客户端链路关闭
            cf.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //优雅退出,释放NIO线程组
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客户端的ChannelHandler

package com.dongnao.nettyLine;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;

/**
 * 
 * @author Five老师
 * @createTime 2017年11月13日 下午9:16:37
 * 
 */
public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;
    private byte[] req;
    
    @Override
    //向服务器发送指令
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf message=null;
        //模拟一百次请求,发送重复内容
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            req = ("QUERY TIME ORDER"+System.getProperty("line.separator")).getBytes();
            message=Unpooled.buffer(req.length);
            message.writeBytes(req);
            ctx.writeAndFlush(message);
        }
        
    }

    @Override
    //接收服务器的响应
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
//        //buf.readableBytes():获取缓冲区中可读的字节数;
//        //根据可读字节数创建数组
//        byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
//        buf.readBytes(req);
//        String body = new String(req, "UTF-8");
        String body = (String) msg;
        System.out.println("Now is : "+body+". the counter is : "+ ++counter);
    }

    @Override
    //异常处理
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        //释放资源
        ctx.close();
    }
    
}

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