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Netty-NioEventLoop线程工作机制

作者:互联网

   I/O读写操作原理
   异步任务执行原理
   定时任务执行原理
   Netty多线程最佳实践


I/O读写操作原理

     NioEventLoop作为Reactor线程,负责TCP连接的创建和接入,以及TCP消息的读写,Reactor线程职责如下:

  1. 作为NIO服务端,接受客户端的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信息
  4. 向通信对端发送消息请求或者应答消息

     由于Reactor模式使用的是异步非阻塞I/O,因此所有的I/O操作都不会导致阻塞,理论上一个线程可以独立处理所有I/O相关操作。但对于高负载、大并发的应用场景却不适合。原因如下:

  1. 一个NIO线程同时处理成百上千条链路,在性能上无法支撑,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、读取和发送需求。
  2. 当NIO线程负载过重时,处理速度将变慢,这回导致大量客户端连接超时,超时之后往往会进行重发消息,这更加加重NIO线程的负荷,最终将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线程出现意外,会导致整个系统通信模块不可用,不能接受和处理外部消息,造成节点故障。

     对于Netty,在创建NioEventLoopGroup时可以指定工作的I/O线程数,通常为"CPU内核书X2"或者"CPU内核书+1",这样可提升网络的读写性能,需要指出的是,不要把I/O线程数设置得过大,除了会导致线程竞争加剧,还会带来其他副作用。
     NioEventLoop线程处理网络读写等操作的关键是聚合了一个Selector,代码如下:


public final class NioEventLoop extends SingleThreadEventLoop{
	private Selector selector;
	private SelectorTuple openSelector(){
		final Selector unwrappedSelector;
		try{
			unwrappedSelector = provider.openSelector();
		} catch(IOException e) {
			throw new ChannelException("failed to open a new selector", e);
		}

		if(DISABLE_KEYSET_OPTIMIZATION){
			return new SelectorTuple(unwrappedSelector);
		}
	}
}

     除了支持JDK原生的Selector,Netty也支持创建其他SPI提供的Selector,同时Netty对Selector的遍历也做了性能优化,对于网络消息处理,通过轮询Selector的SelectorSelectionKeySet实现,代码如下(NioEventLoop类):


private void processSelectedKey(SelectionKey k, AbstractNioChannel ch){
	final AbstractNioChannel.NioUnsafe unsafe = ch.unsafe();
	if(!k.isValid()){
		final EventLoop eventLoop;
	}
	try{
		int readyOps = k.readyOps();
		if((readyOps & SelectionKey.OP_CONNECT) != 0){
			int ops = k.interestOps();
			ops &= -SelectionKey.OP_CONNECT;
			k.interestOps(ops);
			unsafe.finishConnect();
		}
		if((readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0){
			ch.unsafe().forceFlush();
		}
		if((readyOps & (SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_ACCEPT)) != 0 || readyOps = 0){
			unsafe.read();
		}
	} catch(CancellKeyException ignored){
		unsafe.close(unsafe.voidPromise());
	}
}

     通过对SelectionKey的取值进行判断,完成对应的I/O操作。

  1. 如果为OP_CONNECT,则代表客户端异步连接操作执行结果。
  2. 如果为OP_WRITE,说明发生了写半包,发送队列尚有消息未完成发送,需要继续执行发送操作。
  3. 如果为OP_READ,说明SocketChannel上有消息可以读取,执行read ByteBuffer操作。
  4. 如果为OP_ACCEPT,说明ServerSocketChannel上有新的客户端TCP连接接入,需要执行accept操作,完成TCP握手和客户端TCP连接的接入。

异步任务执行原理

     除了一些标准的网络I/O操作,NioEventLoop也支持各种Runnable类型的任务执行,任务的使用有两种场景。

  1. Netty系统任务,主要用于任务的异步执行,或者用于用户线程切换到Netty的NioEventLoop线程,避免业务ChannelHaneler加锁。
  2. 用户自定义用来辅助I/O操作的业务任务。

     AbstractWriteTask就是比较典型的Netty系统任务,它将write操作封装成任务,放入NioEventLoop任务队列异步执行,代码如下(AbstractWriteTask类):


abstract static class AbstractWriteTask implements Runnable{
	public final void run(){
		try{
			if(ESTIMATE_TASK_SIZE_ON_SUBMIT){
				ctx.pipleline.decrementPendingOutboundBytes(size);
			}
			write(ctx, msg, promise);
		} finally{
			ctx = null;
			mas = null;
			promise = null;
			handle.recycle(this);
		}
	}
}

     任务存放在SingleThreadEventExecutor类的成员变量Queue taskQueue中,每次Selector轮询完,执行taskQueue中的任务,代码如下(SingleThreadEventExecutor类):


protected boolean runAllTasks(){
	assert inEventLoop();
	boolean fetchedAll;
	boolean ranAtLeastOne = false;
	do{
		fetchedAll = fetchFromScheduledTaskQueue();
		if(runAllTasksFrom(taskQueue)){
			ranAtLeastOne = true;
		}
	} while(!fetchedAll);
	if(ranAtLeastOne){
		lastExecutionTime = ScheduledFutureTask.nanoTime();
	}
	afterRunningAllTasks();
	return ranAtLeastOne;
}

     由于NioEventLoop需要同时处理I/O事件和非I/O任务,为了保证两者都能得到足够的CPU时间,Netty提供了I/O比例供用户定制。如果I/O操作多余定时任务和其他任务,则可以将I/O比例调大,默认为50%。
     当限制的执行时间到期时,无论当前积压的任务是否执行完,都需要退出循环,防止长时间执行任务而阻塞网络I/O操作。


定时任务执行原理

     除了不同的Runnable类型的任务,NioEventLoop还支持执行定时任务,通过调用schedule接口,可以实现定时任务的执行。通过调用fetchFromScheduledTaskQueue(),将到期的定时任务加入taskQueue并随taskQueue执行,实际上可以理解为taskQueue本身就是需要立即执行的定时任务队列,相关代码如下(SingleThreadEventExecutor类):


private boolean fetchFromScheduledTaskQueue(){
	long nanoTime = AbstractSchduledEventExecutor.nanoTime();
	
	Runnable scheduledTask = pollScheduledTask(nanoTime);
	while (scheduledTask != null){
		if(!taskQueue.offer(scheduledTask)){
			scheduledQueue().add(scheduledTask);
			return false;
		}
		scheduledTask = pollScheduledTask(nanoTime);
	}
	return true;
}

     在Netty中,定时任务最经典的使用场景是链路空闲状态监测,在初始化IdleStateHandler时,同步创建ReaderIdleTimeoutTask、WriterIdleTimeoutTask和AllIdleTimeoutTask三个定时任务,负责链路空闲状态检测,相关代码:


private void initialize(ChannelHandlerContext ctx){
	lastReadTime = lastWriteTime = ticksInNanos();
	if(readerIdleTimeNanos > 0){
		readerIdleTimeout = schdule(ctx, new ReaderIdleTimeoutTask(ctx), readerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
	}
	if(writerIdleTimeNanos > 0){
		writerIdleTimeout = schdule(ctx, new WriterIdleTimeoutTask(ctx), writerIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
	}
	if(allIdleTimeNanos > 0){
		allIdleTimeNanos = schdule(ctx, new AllIdleTimeoutTask(ctx), allIdleTimeNanos, TimeUnit.NANOSECONDS);
	}
}

     对于用户而言如果需要执行一些周期性任务,不需要自己创建定时器或者使用JDK的ScheduledExecutorService,可以直接使用Netty的NioEventLoop定时任务,实现诸如心跳发送之类的功能。


Netty多线程最佳实践

  1. 创建两个NioEventLoopGroup,用于逻辑隔离NIO Acceptor和NIO I/O线程。
  2. 尽量不要在ChannelHandler中启动用户线程,解码后用于将POJO消息派发到后端业务线程除外。
  3. 解码要放在NIO线程调用的解码Handler中进行,不要切换到用户线程完成消息的解码。
  4. 如果业务逻辑操作非常简单,没有复杂的业务逻辑,也没有可能导致线程被阻塞的磁盘操作、数据库操作、网络操作等,可以直接在NIO线程上完成业务逻辑编排,不需要切换到用户线程。
  5. 如果业务逻辑复杂,不要在NIO线程上完成,建议将解码后的POJO消息封装成任务,派发到业务线程池中由业务线程执行,以保证NIO线程尽快被释放,处理其他I/O操作。

     推荐线程数量计算公式:

  1. 线程数量 = (线程总时间 / 瓶颈资源时间) x 瓶颈资源的线程并行数
  2. QPS = 1000 / 线程总时间 x 线程数
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标签:NioEventLoop,Netty,NIO,ctx,任务,线程
来源: https://blog.csdn.net/MarchRS/article/details/104546014