Netty 原理+高性能

Netty 原理+高性能

Netty 原理 Netty 是一个高性能、异步事件驱动的NIO 框架,基于JAVA NIO 提供的API 实现。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...

Netty 原理

Netty 是一个高性能、异步事件驱动的NIO 框架,基于JAVA NIO 提供的API 实现。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。

Netty 高性能

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select 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/多进程模型比,I/O 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。

与Socket 类和ServerSocket 类相对应,NIO也提供了SocketChannel 和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

多路复用的通讯方式

Netty 架构按照Reactor 模式设计和实现,它的服务端通信序列图如下:

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客户端通信序列图如下:

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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Channel,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,避免由于频繁IO 阻塞导致的线程挂起。

异步通信 NIO

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 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。

零拷贝DIRECT BUFFERS (使用堆外直接内存)

  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. Netty 提供了组合Buffer 对象,可以聚合多个ByteBuffer 对象,用户可以像操作一个Buffer 那样方便的对组合Buffer 进行操作,避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer 合并成一个大的Buffer。
  3. Netty 的文件传输采用了transferTo方法,它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel,避免了传统通过循环write 方式导致的内存拷贝问题

内存池(基于内存池的缓冲区重用机制)

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。

高效的 Reactor线程模型

常用的Reactor 线程模型有三种,Reactor 单线程模型, Reactor 多线程模型, 主从Reactor 多线程模型。

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 线程的职责如下:

  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. 向通信对端发送消息请求或者应答消息。

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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 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Handler 可以通过NIO 线程将消息发送给客户端。

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IO 操作。 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; 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;

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主从Reactor多线程模型
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。

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无锁设计、线程锁定

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。

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Netty 的NioEventLoop 读取到消息之后,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操作导致的锁的竞争,从性能角度看是最优的。

高性能的序列化框架

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。

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