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Netty之工作原理

1、架构设计

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:

1.png

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。

2、模块组件

2.1 Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导,一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始,主要作用是配置整个 Netty 程序,串联各个组件,Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类,ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

2.2 Future、ChannelFuture

正如前面介绍,在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的,不能立刻得知消息是否被正确处理。

但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听,具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures,他们可以注册一个监听,当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

2.3 Channel

Netty 网络通信的组件,能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供:

  • 当前网络连接的通道的状态(例如是否打开?是否已连接?)
  • 网络连接的配置参数 (例如接收缓冲区大小)
  • 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接,读写,绑定端口),异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回,并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例,通过注册监听器到 ChannelFuture 上,可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。
  • 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。下面是一些常用的 Channel 类型:

  • NioSocketChannel,异步的客户端 TCP Socket 连接。
  • NioServerSocketChannel,异步的服务器端 TCP Socket 连接。
  • NioDatagramChannel,异步的 UDP 连接。
  • NioSctpChannel,异步的客户端 Sctp 连接。
  • NioSctpServerChannel,异步的 Sctp 服务器端连接,这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

2.4 Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用,通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后,Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件(例如可读,可写,网络连接完成等),这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

2.5 NioEventLoop

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列,支持异步提交执行任务,线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法,执行 I/O 任务和非 I/O 任务:

  • I/O 任务,即 selectionKey 中 ready 的事件,如 accept、connect、read、write 等,由 processSelectedKeys 方法触发。
  • 非 IO 任务,添加到 taskQueue 中的任务,如 register0bind0 等任务,由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制,默认为 50,则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。

2.6 NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup,主要管理 eventLoop 的生命周期,可以理解为一个线程池,内部维护了一组线程,每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件,而一个 Channel 只对应于一个线程。

2.7 ChannelHandler

ChannelHandler 是一个接口,处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作,并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法,因为这个接口有许多的方法需要实现,方便使用期间,可以继承它的子类:

  • ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
  • ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类:

  • ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
  • ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
  • ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

2.8 ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息,同时关联一个 ChannelHandler 对象。

2.9 ChannelPipline

保存ChannelHandler 的 List,用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式,使用户可以完全控制事件的处理方式,以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明,描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。

I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理,并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。

例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)ChannelOutboundInvoker.write(Object)转发到其最近的处理程序。

2.jpeg

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理,如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。

通常通过实际输入操作(例如SocketChannel.read(ByteBuffer))从远程读取入站数据。

出站事件由上而下方向处理,如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输,例如 write 请求。

I/O 线程通常执行实际的输出操作,例如 SocketChannel.write(ByteBuffer)

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应,它们的组成关系如下:

3.jpeg

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline,而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表,并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。

入站事件和出站事件在一个双向链表中,入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler,出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler,两种类型的 handler 互不干扰。

3、工作原理

初始化并启动 Netty 服务端示例代码如下:

    public static void main(String[] args) {

        // 创建mainReactor
        NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();

        // 创建工作线程组
        NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

        serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) // 组装NioEventLoopGroup
                .channel(NioServerSocketChannel.class) // 设置channel类型为NIO类型
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)// 设置连接配置参数
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {// 配置入站、出站事件handler

                    @Override
                    protected void initChannel (NioSocketChannel ch) {

                        // 配置入站、出站事件channel
                        ch.pipeline().addLast(...);
                        ch.pipeline().addLast(...);

                    }
                });

        // 绑定端口
        int port = 8080;
        serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

            if (future.isSuccess()) {

                System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");

            } else {

                System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");

            }

        });

    }

虽然 Netty 的线程模型基于主从 Reactor 多线程,借用了 MainReactor 和 SubReactor 的结构。但是实际实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中。bossGroup 线程池则只是在 Bind 某个端口后,获得其中一个线程作为 MainReactor,专门处理端口的 Accept 事件,每个端口对应一个 Boss 线程。workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充分利用。

基本过程如下:

  • 初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup,其中bossGroup 用于 Accetpt 连接建立事件并分发请求,workerGroup 用于处理 I/O 读写事件和业务逻辑。
  • 基于 ServerBootstrap(服务端启动引导类),配置 EventLoopGroupChannel 类型,连接参数、配置入站、出站事件 handler。
  • 绑定端口,开始工作。

结合上面介绍的 Netty Reactor 模型,介绍服务端 Netty 的工作架构图:

4.jpeg

Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组,这个组里包含多个事件循环 NioEventLoop,每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。

每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步:

  • 轮询 Accept 事件
  • 处理 Accept I/O 事件,与 Client 建立连接,生成 NioSocketChannel,并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上
  • 处理任务队列中的任务,任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务,或者其他线程提交到该 eventloop 的任务

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步:

  • 轮询 Read、Write 事件
  • 处理 I/O 事件,即 Read、Write 事件,在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理
  • 处理任务队列中的任务

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景:

  • 用户程序自定义的普通任务
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {

  @Override
  public void run () {

    //...

  }

});
  • 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法

例如在推送系统的业务线程里面,根据用户的标识,找到对应的 Channel 引用,然后调用 Write 类方法向该用户推送消息,就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。

  • 用户自定义定时任务
ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {

  @Override

  public void run () {

  }

}, 60, TimeUnit.SECONDS);

作者:冰河winner

原文链接:https://www.jianshu.com/p/cef370e2869b

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