Netty整体介绍和架构认知

一、初识Netty

1.1 本质：网络应用程序框架

Netty 是一款用于高效开发网络应用的 NIO 网络框架，它大大简化了网络应用的开发过程。我们所熟知的 TCP 和 UDP 的 Socket 服务器开发，就是一个有关 Netty 简化网络应用开发的典型案例。

既然 Netty 是网络应用框架，那我们永远绕不开以下几个核心关注点：

• I/O 模型、线程模型和事件处理机制；

• 易用性 API 接口；

• 对数据协议、序列化的支持。

我们之所以会最终选择 Netty，是因为 Netty 围绕这些核心要点可以做到尽善尽美，其健壮性、性能、可扩展性在同领域的框架中都首屈一指。下面我们从以下三个方面一起来看看，Netty 到底有多厉害。

高性能，低延迟
经常听到这么一句话：“网络编程只要你使用了 Netty 框架，你的程序性能基本就不会差。”这句话虽然有些绝对，但是也从侧面上反映了人们对 Netty 高性能的肯定。

实现高性能的网络应用框架离不开 I/O 模型问题，在了解 Netty 高性能原理之前我们需要先储备 I/O 模型的基本知识。

I/O 请求可以分为两个阶段，分别为调用阶段和执行阶段。

• 第一个阶段为I/O 调用阶段，即用户进程向内核发起系统调用。

• 第二个阶段为I/O 执行阶段。此时，内核等待 I/O 请求处理完成返回。该阶段分为两个过程：首先等待数据就绪，并写入内核缓冲区；随后将内核缓冲区数据拷贝至用户态缓冲区。

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了解了上述五种 I/O，再来看 Netty 如何实现自己的 I/O 模型。Netty 的 I/O 模型是基于非阻塞 I/O 实现的，底层依赖的是 JDK NIO 框架的多路复用器 Selector。一个多路复用器 Selector 可以同时轮询多个 Channel，采用 epoll 模式后，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。

在 I/O 多路复用的场景下，当有数据处于就绪状态后，需要一个事件分发器（Event Dispather），它负责将读写事件分发给对应的读写事件处理器（Event Handler）。事件分发器有两种设计模式：Reactor 和 Proactor，Reactor 采用同步 I/O， Proactor 采用异步 I/O。

Reactor 实现相对简单，适合处理耗时短的场景，对于耗时长的 I/O 操作容易造成阻塞。

Proactor 性能更高，但是实现逻辑非常复杂，目前主流的事件驱动模型还是依赖 select 或 epoll 来实现。

上图所描述的便是 Netty 所采用的主从 Reactor 多线程模型，所有的 I/O 事件都注册到一个 I/O 多路复用器上，当有 I/O 事件准备就绪后，I/O 多路复用器会将该 I/O 事件通过事件分发器分发到对应的事件处理器中。该线程模型避免了同步问题以及多线程切换带来的资源开销，真正做到高性能、低延迟。

在 JDK 1.4 投入使用之前，只有 BIO 一种模式。开发过程相对简单。新来一个连接就会创建一个新的线程处理。随着请求并发度的提升，BIO 很快遇到了性能瓶颈。

JDK 1.4 以后开始引入了 NIO 技术，支持 select 和 poll；JDK 1.5 支持了 epoll；JDK 1.7 发布了 NIO2，支持 AIO 模型。Java 在网络领域取得了长足的进步。

既然 JDK NIO 性能已经非常优秀，为什么还要选择 Netty？这是因为 Netty 做了 JDK 该做的事，但是做得更加完备。我们一起看下 Netty 相比 JDK NIO 有哪些突出的优势。

Netty相比JDK的NIO的优势

优势一：

优势二：

优势三：

解决方案：

• 易用性。 我们使用 JDK NIO 编程需要了解很多复杂的概念，比如 Channels、Selectors、Sockets、Buffers 等，编码复杂程度令人发指。相反，Netty 在 NIO 基础上进行了更高层次的封装，屏蔽了 NIO 的复杂性；Netty 封装了更加人性化的 API，统一的 API（阻塞/非阻塞） 大大降低了开发者的上手难度；与此同时，Netty 提供了很多开箱即用的工具，例如常用的行解码器、长度域解码器等，而这些在 JDK NIO 中都需要你自己实现。

• 稳定性。 Netty 更加可靠稳定，修复和完善了 JDK NIO 较多已知问题，例如臭名昭著的 select 空转导致 CPU 消耗 100%，TCP 断线重连，keep-alive 检测等问题。

• 可扩展性。 Netty 的可扩展性在很多地方都有体现，这里主要列举其中的两点：一个是可定制化的线程模型，用户可以通过启动的配置参数选择 Reactor 线程模型；另一个是可扩展的事件驱动模型，将框架层和业务层的关注点分离。大部分情况下，开发者只需要关注 ChannelHandler 的业务逻辑实现。

• 更低的资源消耗
  作为网络通信框架，需要处理海量的网络数据，那么必然面临有大量的网络对象需要创建和销毁的问题，对于 JVM GC 并不友好。为了降低 JVM 垃圾回收的压力，Netty 主要采用了两种优化手段：

  • 对象池复用技术。 Netty 通过复用对象，避免频繁创建和销毁带来的开销。

  • 零拷贝技术。 除了操作系统级别的零拷贝技术外，Netty 提供了更多面向用户态的零拷贝技术，例如 Netty 在 I/O 读写时直接使用 DirectBuffer，从而避免了数据在堆内存和堆外内存之间的拷贝。

因为 Netty 不仅做到了高性能、低延迟以及更低的资源消耗，还完美弥补了 Java NIO 的缺陷，所以在网络编程时越来越受到开发者们的青睐。

网络框架的选型
很多开发者都使用过 Tomcat，Tomcat 作为一款非常优秀的 Web 服务器看上去已经帮我们解决了类似问题，那么它与 Netty 到底有什么不同？

Netty 和 Tomcat 最大的区别在于对通信协议的支持，可以说 Tomcat 是一个 HTTP Server，它主要解决 HTTP 协议层的传输，而 Netty 不仅支持 HTTP 协议，还支持 SSH、TLS/SSL 等多种应用层的协议，而且能够自定义应用层协议。

Tomcat 需要遵循 Servlet 规范，在 Servlet 3.0 之前采用的是同步阻塞模型，Tomcat 6.x 版本之后已经支持 NIO，性能得到较大提升。然而 Netty 与 Tomcat 侧重点不同，所以不需要受到 Servlet 规范的约束，可以最大化发挥 NIO 特性。

如果你仅仅需要一个 HTTP 服务器，那么我推荐你使用 Tomcat。术业有专攻，Tomcat 在这方面的成熟度和稳定性更好。但如果你需要做面向 TCP 的网络应用开发，那么 Netty 才是你最佳的选择。

此外，比较出名的网络框架还有 Mina 和 Grizzly。Mina 是 Apache Directory 服务器底层的 NIO 框架，由于 Mina 和 Netty 都是 Trustin Lee 主导的作品。Grizzly 出身 Sun 公司，从设计理念上看没有 Netty 优雅，几乎是对 Java NIO 比较初级的封装，目前业界使用的范围也很小。

如果没有项目历史包袱，目前主流推荐 Netty 4.x 的稳定版本，Netty 3.x 到 4.x 版本发生了较大变化，属于不兼容升级，下面我们初步了解下 4.x 版本有哪些值得关注的变化和新特性。

项目结构：模块化程度更高，包名从 org.jboss.netty 更新为 io.netty，不再属于 Jboss。

• 常用 API：大多 API 都已经支持流式风格，更多新的 API 参考以下网址：https://netty.io/news/2013/06/18/4-0-0-CR5.html。

• Buffer 相关优化：Buffer 相关功能调整了现在 5 点。

  • ChannelBuffer 变更为 ByteBuf，Buffer 相关的工具类可以独立使用。由于人性化的 Buffer API 设计，它已经成为 Java ByteBuffer 的完美替代品。

  • Buffer 统一为动态变化，可以更安全地更改 Buffer 的容量。

  • 增加新的数据类型 CompositeByteBuf，可以用于减少数据拷贝。

  • GC 更加友好，增加池化缓存，4.1 版本开始 jemalloc 成为默认内存分配方式。

  • 内存泄漏检测功能。

  • 通用工具类：io.netty.util.concurrent 包中提供了较多异步编程的数据结构。

  • 更加严谨的线程模型控制，降低用户编写 ChannelHandler 的心智，不必过于担心线程安全问题。

可见 Netty 4.x 带来了很多提升，性能、健壮性都变得更加强大了。Netty 精益求精的设计精神值得每个人学习。当然，其中还有更多细节变化，感兴趣的可以参考以下网址：https://netty.io/wiki/new-and-noteworthy-in-4.0.html。

综上所述，Netty 是我们一个较好的选择。

• 实现：异步、事件驱动

• 特性：高性能、可维护、快速开发

• 用途： 开发服务器和客户端

1.2 Netty整体架构

Netty 是一个设计非常用心的网络基础组件，Netty 官网给出了有关 Netty 的整体功能模块结构，却没有其他更多的解释。从图中，我们可以清晰地看出 Netty 结构一共分为三个模块：

1. Core 核心层
   Core 核心层是 Netty 最精华的内容，它提供了底层网络通信的通用抽象和实现，包括可扩展的事件模型、通用的通信 API、支持零拷贝的 ByteBuf 等。

2. Protocol Support 协议支持层
   协议支持层基本上覆盖了主流协议的编解码实现，如 HTTP、SSL、Protobuf、压缩、大文件传输、WebSocket、文本、二进制等主流协议，此外 Netty 还支持自定义应用层协议。Netty 丰富的协议支持降低了用户的开发成本，基于 Netty 我们可以快速开发 HTTP、WebSocket 等服务。

3. Transport Service 传输服务层
   传输服务层提供了网络传输能力的定义和实现方法。它支持 Socket、HTTP 隧道、虚拟机管道等传输方式。Netty 对 TCP、UDP 等数据传输做了抽象和封装，用户可以更聚焦在业务逻辑实现上，而不必关系底层数据传输的细节。

Netty 的模块设计具备较高的通用性和可扩展性，它不仅是一个优秀的网络框架，还可以作为网络编程的工具箱。Netty 的设计理念非常优雅，值得我们学习借鉴。

1.3 Netty 逻辑架构

1.3.1 网络通信层
网络通信层的职责是执行网络 I/O 的操作。它支持多种网络协议和 I/O 模型的连接操作。当网络数据读取到内核缓冲区后，会触发各种网络事件，这些网络事件会分发给事件调度层进行处理。

网络通信层的核心组件包含BootStrap、ServerBootStrap、Channel三个组件。

(1) BootStrap & ServerBootStrap

Bootstrap 是“引导”的意思，它主要负责整个 Netty 程序的启动、初始化、服务器连接等过程，它相当于一条主线，串联了 Netty 的其他核心组件。

如下图所示，Netty 中的引导器共分为两种类型：一个为用于客户端引导的 Bootstrap，另一个为用于服务端引导的 ServerBootStrap，它们都继承自抽象类 AbstractBootstrap。

Bootstrap 和 ServerBootStrap 十分相似，两者非常重要的区别在于 Bootstrap 可用于连接远端服务器，只绑定一个 EventLoopGroup。而 ServerBootStrap 则用于服务端启动绑定本地端口，会绑定两个 EventLoopGroup，这两个 EventLoopGroup 通常称为 Boss 和 Worker。

ServerBootStrap 中的 Boss 和 Worker 是什么角色呢？它们之间又是什么关系？这里的 Boss 和 Worker 可以理解为“老板”和“员工”的关系。每个服务器中都会有一个 Boss，也会有一群做事情的 Worker。Boss 会不停地接收新的连接，然后将连接分配给一个个 Worker 处理连接。

有了 Bootstrap 组件，我们可以更加方便地配置和启动 Netty 应用程序，它是整个 Netty 的入口，串接了 Netty 所有核心组件的初始化工作。

(2) Channel

Channel 的字面意思是“通道”，它是网络通信的载体。Channel提供了基本的 API 用于网络 I/O 操作，如 register、bind、connect、read、write、flush 等。Netty 自己实现的 Channel 是以 JDK NIO Channel 为基础的，相比较于 JDK NIO，Netty 的 Channel 提供了更高层次的抽象，同时屏蔽了底层 Socket 的复杂性，赋予了 Channel 更加强大的功能，你在使用 Netty 时基本不需要再与 Java Socket 类直接打交道。

下图是 Channel 家族的图谱。AbstractChannel 是整个家族的基类，派生出 AbstractNioChannel、AbstractOioChannel、AbstractEpollChannel 等子类，每一种都代表了不同的 I/O 模型和协议类型。常用的 Channel 实现类有：

• NioServerSocketChannel 异步 TCP 服务端。
• NioSocketChannel 异步 TCP 客户端。
• OioServerSocketChannel 同步 TCP 服务端。
• OioSocketChannel 同步 TCP 客户端。
• NioDatagramChannel 异步 UDP 连接。
• OioDatagramChannel 同步 UDP 连接。

当然 Channel 会有多种状态，如连接建立、连接注册、数据读写、连接销毁等。随着状态的变化，Channel 处于不同的生命周期，每一种状态都会绑定相应的事件回调，下面的表格我列举了 Channel 最常见的状态所对应的事件回调。

事件	说明
channelRegistered	Channel 创建后被注册到 EventLoop 上
channelUnregistered	Channel 创建后未注册或者从 EventLoop 取消注册
channelActive	Channel 处于就绪状态，可以被读写
channelInactive	Channel 处于非就绪状态
channelRead	Channel 可以从远端读取到数据
channelReadComplete	Channel 读取数据完成

有关网络通信层我就先介绍到这里，简单地总结一下。BootStrap 和 ServerBootStrap 分别负责客户端和服务端的启动，它们是非常强大的辅助工具类；Channel 是网络通信的载体，提供了与底层 Socket 交互的能力。那么 Channel 生命周期内的事件都是如何被处理的呢？那就是 Netty 事件调度层的工作职责了。

(3) 事件调度层

事件调度层的职责是通过 Reactor 线程模型对各类事件进行聚合处理，通过 Selector 主循环线程集成多种事件（ I/O 事件、信号事件、定时事件等），实际的业务处理逻辑是交由服务编排层中相关的 Handler 完成。

事件调度层的核心组件包括 EventLoopGroup、EventLoop。

• EventLoopGroup & EventLoop

EventLoopGroup 本质是一个线程池，主要负责接收 I/O 请求，并分配线程执行处理请求。在下图中，讲述了 EventLoopGroups、EventLoop 与 Channel 的关系。

从上图中，我们可以总结出 EventLoopGroup、EventLoop、Channel 的几点关系。

一个 EventLoopGroup 往往包含一个或者多个 EventLoop。EventLoop 用于处理 Channel 生命周期内的所有 I/O 事件，如 accept、connect、read、write 等 I/O 事件。

EventLoop 同一时间会与一个线程绑定，每个 EventLoop 负责处理多个 Channel。

每新建一个 Channel，EventLoopGroup 会选择一个 EventLoop 与其绑定。该 Channel 在生命周期内都可以对 EventLoop 进行多次绑定和解绑。

下图是 EventLoopGroup 的家族图谱。可以看出 Netty 提供了 EventLoopGroup 的多种实现，而且 EventLoop 则是 EventLoopGroup 的子接口，所以也可以把 EventLoop 理解为 EventLoopGroup，但是它只包含一个 EventLoop 。

EventLoopGroup 的实现类是 NioEventLoopGroup，NioEventLoopGroup 也是 Netty 中最被推荐使用的线程模型。NioEventLoopGroup 继承于 MultithreadEventLoopGroup，是基于 NIO 模型开发的，可以把 NioEventLoopGroup 理解为一个线程池，每个线程负责处理多个 Channel，而同一个 Channel 只会对应一个线程。

EventLoopGroup 是 Netty 的核心处理引擎，那么 EventLoopGroup 和之前课程所提到的 Reactor 线程模型到底是什么关系呢？其实 EventLoopGroup 是 Netty Reactor 线程模型的具体实现方式，Netty 通过创建不同的 EventLoopGroup 参数配置，就可以支持 Reactor 的三种线程模型：

• 单线程模型：EventLoopGroup 只包含一个 EventLoop，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup；

• 多线程模型：EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup；

• 主从多线程模型：EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 是主 Reactor，Worker 是从 Reactor，它们分别使用不同的 EventLoopGroup，主 Reactor 负责新的网络连接 Channel 创建，然后把 Channel 注册到从 Reactor。

在介绍完事件调度层之后，可以说 Netty 的发动机已经转起来了，事件调度层负责监听网络连接和读写操作，然后触发各种类型的网络事件，需要一种机制管理这些错综复杂的事件，并有序地执行，接下来学习 Netty 服务编排层中核心组件的职责。

(4) 服务编排层 

服务编排层的职责是负责组装各类服务，它是 Netty 的核心处理链，用以实现网络事件的动态编排和有序传播。

服务编排层的核心组件包括 ChannelPipeline、ChannelHandler、ChannelHandlerContext。

• ChannelPipeline

ChannelPipeline 是 Netty 的核心编排组件，负责组装各种 ChannelHandler，实际数据的编解码以及加工处理操作都是由 ChannelHandler 完成的。ChannelPipeline 可以理解为ChannelHandler 的实例列表——内部通过双向链表将不同的 ChannelHandler 链接在一起。当 I/O 读写事件触发时，ChannelPipeline 会依次调用 ChannelHandler 列表对 Channel 的数据进行拦截和处理。

ChannelPipeline 是线程安全的，因为每一个新的 Channel 都会对应绑定一个新的 ChannelPipeline。一个 ChannelPipeline 关联一个 EventLoop，一个 EventLoop 仅会绑定一个线程。

ChannelPipeline、ChannelHandler 都是高度可定制的组件。开发者可以通过这两个核心组件掌握对 Channel 数据操作的控制权。下面我们看一下 ChannelPipeline 的结构图：

从上图可以看出，ChannelPipeline 中包含入站 ChannelInboundHandler 和出站 ChannelOutboundHandler 两种处理器，我们结合客户端和服务端的数据收发流程来理解 Netty 的这两个概念。

客户端和服务端都有各自的 ChannelPipeline。以客户端为例，数据从客户端发向服务端，该过程称为出站，反之则称为入站。数据入站会由一系列 InBoundHandler 处理，然后再以相反方向的 OutBoundHandler 处理后完成出站。我们经常使用的编码 Encoder 是出站操作，解码 Decoder 是入站操作。服务端接收到客户端数据后，需要先经过 Decoder 入站处理后，再通过 Encoder 出站通知客户端。所以客户端和服务端一次完整的请求应答过程可以分为三个步骤：客户端出站（请求数据）、服务端入站（解析数据并执行业务逻辑）、服务端出站（响应结果）。

• ChannelHandler & ChannelHandlerContext

已经对 ChannelHandler 有了基本的概念，数据的编解码工作以及其他转换工作实际都是通过 ChannelHandler 处理的。站在开发者的角度，最需要关注的就是 ChannelHandler，我们很少会直接操作 Channel，都是通过 ChannelHandler 间接完成。

下图描述了 Channel 与 ChannelPipeline 的关系，从图中可以看出，每创建一个 Channel 都会绑定一个新的 ChannelPipeline，ChannelPipeline 中每加入一个 ChannelHandler 都会绑定一个 ChannelHandlerContext。由此可见，ChannelPipeline、ChannelHandlerContext、ChannelHandler 三个组件的关系是密切相关的，那么一定会有疑问，每个 ChannelHandler 绑定ChannelHandlerContext 的作用是什么呢？

ChannelHandlerContext 用于保存 ChannelHandler 上下文，通过 ChannelHandlerContext 我们可以知道 ChannelPipeline 和 ChannelHandler 的关联关系。ChannelHandlerContext 可以实现 ChannelHandler 之间的交互，ChannelHandlerContext 包含了 ChannelHandler 生命周期的所有事件，如 connect、bind、read、flush、write、close 等。此外，你可以试想这样一个场景，如果每个 ChannelHandler 都有一些通用的逻辑需要实现，没有 ChannelHandlerContext 这层模型抽象，你是不是需要写很多相同的代码呢？

以上便是 Netty 的逻辑处理架构，可以看出 Netty 的架构分层设计得非常合理，屏蔽了底层 NIO 以及框架层的实现细节，对于业务开发者来说，只需要关注业务逻辑的编排和实现即可。

 (5) 组件关系梳理

当你了解每个 Netty 核心组件的概念后。你会好奇这些组件之间如何协作？结合客户端和服务端的交互流程，我画了一张图，为你完整地梳理一遍 Netty 内部逻辑的流转。

• 服务端启动初始化时有 Boss EventLoopGroup 和 Worker EventLoopGroup 两个组件，其中 Boss 负责监听网络连接事件。当有新的网络连接事件到达时，则将 Channel 注册到 Worker EventLoopGroup。

• Worker EventLoopGroup 会被分配一个 EventLoop 负责处理该 Channel 的读写事件。每个 EventLoop 都是单线程的，通过 Selector 进行事件循环。

• 当客户端发起 I/O 读写事件时，服务端 EventLoop 会进行数据的读取，然后通过 Pipeline 触发各种监听器进行数据的加工处理。

• 客户端数据会被传递到 ChannelPipeline 的第一个 ChannelInboundHandler 中，数据处理完成后，将加工完成的数据传递给下一个 ChannelInboundHandler。

• 当数据写回客户端时，会将处理结果在 ChannelPipeline 的 ChannelOutboundHandler 中传播，最后到达客户端。

标签：Netty,认知,架构,ChannelHandler,EventLoop,线程,EventLoopGroup,Channel
来源： https://blog.csdn.net/qq_41688840/article/details/112320595