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Netty那点事-前导篇

时间:2020-07-30 01:30:35      阅读:90      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:原理图   针对   分析   ble   memcach   通知   没有   独立   sel   

一、Netty概述

1.1 原生NIO存在的问题
  • NIO 的类库和 API 繁杂,使用麻烦:需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
  • 需要具备其他的额外技能:要熟悉 Java 多线程编程,因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式,你必须对多线程和网络编程非常熟悉,才能编写出高质量的 NIO 程序。
  • 开发工作量和难度都非常大:例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
  • JDK NIO 的 Bug:例如臭名昭著的 Epoll Bug,它会导致 Selector 空轮询,最终导致 CPU 100%。直到 JDK 1.7 版本该问题仍旧存在,没有被根本解决。
1.2 Netty官网说明

Netty is an asynchronous event-driven network application framework for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients

技术图片

  • Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架,用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
  • Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用,相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
  • Netty 是目前最流行的 NIO 框架,Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用,知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。
1.3 Netty的优点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装,解决了上述问题。

  • 设计优雅:适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket;基于灵活且可扩展的事件模型,可以清晰地分离关注点;高度可定制的线程模型 - 单线程,一个或多个线程池.
  • 使用方便:详细记录的 Javadoc,用户指南和示例;没有其他依赖项,JDK 5(Netty 3.x)或 6(Netty 4.x)就足够了
  • 高性能、吞吐量更高:延迟更低;减少资源消耗;最小化不必要的内存复制。
  • 安全:完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
  • 社区活跃、不断更新:社区活跃,版本迭代周期短,发现的 Bug 可以被及时修复,同时,更多的新功能会被加入
1.4 Netty版本说明
  • netty版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x
  • 因为Netty5出现重大bug,已经被官网废弃了,目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本
  • 目前在官网可下载的版本 netty3.x netty4.0.x 和 netty4.1.x
  • netty 下载地址: https://bintray.com/netty/downloads/netty/
1.5 Netty常见使用场景
  • 互联网行业 在分布式系统中,各个节点之间需要远程服务调用,高性能的RPC框架必不可少,Netty作为异步高新能的通信框架,往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用。 典型的应用有:阿里分布式服务框架Dubbo的RPC框架使用Dubbo协议进行节点间通信,Dubbo协议默认使用Netty作为基础通信组件,用于实现各进程节点之间的内部通信。
  • 游戏行业 无论是手游服务端还是大型的网络游戏,Java语言得到了越来越广泛的应用。Netty作为高性能的基础通信组件,它本身提供了TCP/UDP和HTTP协议栈。 非常方便定制和开发私有协议栈,账号登录服务器,地图服务器之间可以方便的通过Netty进行高性能的通信
  • 大数据领域 经典的Hadoop的高性能通信和序列化组件Avro的RPC框架,默认采用Netty进行跨界点通信,它的Netty Service基于Netty框架二次封装实现

可以了解一下目前有哪些开源项目使用了 Netty:Related projects

二、线程模型前言

2.1 线程模型基本介绍
  • 不同的线程模式,对程序的性能有很大影响,为了搞清Netty 线程模式,我们来系统的讲解下 各个线程模式, 最后看看Netty 线程模型有什么优越性.
  • 目前存在的线程模型有:
    • 传统阻塞 I/O 服务模型
    • Reactor 模式
  • 根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同,有 3 种典型的实现
    • 单 Reactor 单线程;
    • 单 Reactor 多线程;
    • 主从 Reactor 多线程
  • Netty 线程模式(Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进,其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor)
2.2 传统阻塞I/O服务模型
  • 工作原理图

    黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程
    白色的框表示方法(API)

  • 模型特点

    • 采用阻塞IO模式获取输入的数据
    • 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入,业务处理, 数据返回
  • 问题分析

    • 当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大系统资源
    • 连接创建后,如果当前线程暂时没有数据可读,该线程 会阻塞在read 操作,造成线程资源浪费

技术图片

2.3 Reactor模式
  1. 解决方案
  • 基于 I/O 复用模型:多个连接共用一个阻塞对象,应用程序只需要在一个阻塞对象等待,无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时,操作系统通知应用程序,线程从阻塞状态返回,开始进行业务处理 Reactor 对应的叫法: 1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher) 3. 通知者模式(notifier)
  • 基于线程池复用线程资源:不必再为每个连接创建线程,将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理,一个线程可以处理多个连接的业务。
  1. 设计思想
  • Reactor 模式,通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式(基于事件驱动)

  • 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程, 因此Reactor模式也叫 Dispatcher模式

  • Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后,分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

    技术图片

  1. 核心组成
  • Reactor:Reactor 在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员,它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人;
  • Handlers:处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件,类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作。
  1. 模式分类
  • 根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同,有 3 种典型的实现
    • 单 Reactor 单线程
    • 单 Reactor 多线程
    • 主从 Reactor 多线程

三、Reactor线程模型

3.1 单 Reactor 单线程

一个NIO线程+一个accept线程:

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  1. 方案说明
  • Reactor中有个select,Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API,可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
  • Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件,收到事件后通过 Dispatch 进行分发
  • 如果是建立连接请求事件,则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求,然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理
  • 如果不是建立连接事件,则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应
  • Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

结合实例:服务器端用一个线程通过多路复用搞定所有的 IO 操作(包括连接,读、写等),编码简单,清晰明了,但是如果客户端连接数量较多,将无法支撑,前面的 NIO 案例就属于这种模型。

  1. 优缺点分析
  • 优点:模型简单,没有多线程、进程通信、竞争的问题,全部都在一个线程中完成
  • 缺点:性能问题,只有一个线程,无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时,整个进程无法处理其他连接事件,很容易导致性能瓶颈
  • 缺点:可靠性问题,线程意外终止,或者进入死循环,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
  • 使用场景:客户端的数量有限,业务处理非常快速,比如 Redis在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况
3.2 单Reactor多线程

技术图片

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  1. 方案说明
  • Reactor 对象通过select 监控客户端请求 事件, 收到事件后,通过dispatch进行分发
  • 如果建立连接请求, 则右Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个Handler对象处理完成连接后的各种事件
  • 如果不是连接请求,则由reactor分发调用连接对应的handler 来处理
  • handler 只负责响应事件,不做具体的业务处理, 通过read 读取数据后,会分发给后面的worker线程池的某个线程处理业务
  • worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务,并将结果返回给handler
  • handler收到响应后,通过send 将结果返回给client
  1. 优缺点说明
  • 优点:可以充分的利用多核cpu 的处理能力
  • 缺点:多线程数据共享和访问比较复杂, reactor 处理所有的事件的监听和响应,在单线程运行, 在高并发场景容易出现性能瓶颈.
3.3 主从 Reactor 多线程

技术图片

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针对单 Reactor 多线程模型中,Reactor 在单线程中运行,高并发场景下容易成为性能瓶颈,可以让 Reactor 在多线程中运行

  1. 方案说明
  • Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 Select 监控建立连接事件,收到事件后通过 Acceptor 接收,处理建立连接事件;
  • Acceptor 处理建立连接事件后,MainReactor 将连接分配 Reactor 子线程 SubReactor 进行处理;
  • SubReactor 将连接加入连接队列进行监听,并创建一个 Handler 用于处理各种连接事件;
  • 当有新的事件发生时,SubReactor 会调用连接对应的 Handler 进行响应;
  • Handler 通过 Read 读取数据后,会分发给后面的 Worker 线程池进行业务处理;
  • Worker 线程池会分配独立的线程完成真正的业务处理,如何将响应结果发给 Handler 进行处理;
  • Handler 收到响应结果后通过 Send 将响应结果返回给 Client
  1. Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解:

(Doug Lea)

技术图片

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  1. 方案优缺点说明
  • 优点:父线程与子线程的数据交互简单职责明确,父线程只需要接收新连接,子线程完成后续的业务处理。
  • 优点:父线程与子线程的数据交互简单,Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程,子线程无需返回数据。
  • 缺点:编程复杂度较高

结合实例:这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程,Netty 主从多线程模型的支持

3.3 Reactor模式小结
  1. 3 种模式用生活案例来理解
  • 单 Reactor 单线程,前台接待员和服务员是同一个人,全程为顾客服
  • 单 Reactor 多线程,1 个前台接待员,多个服务员,接待员只负责接待
  • 主从 Reactor 多线程,多个前台接待员,多个服务生
  1. Reactor 模式具有如下的优点:
  • 响应快,不必为单个同步时间所阻塞,虽然 Reactor 本身依然是同步的
  • 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题,并且避免了多线程/进程的切换开销
  • 扩展性好,可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
  • 复用性好,Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关,具有很高的复用性

https://juejin.im/post/5be00763e51d453d4a5cf289

https://juejin.im/post/5a228cc15188254cc067aef8

https://juejin.im/post/5bdaf8ea6fb9a0227b02275a#heading-5

https://www.jianshu.com/p/b9f3f6a16911

https://www.infoq.cn/article/iRfKjNuxYGSVgm5CtIpr

Netty那点事-前导篇

标签:原理图   针对   分析   ble   memcach   通知   没有   独立   sel   

原文地址:https://www.cnblogs.com/yurenjun/p/13401432.html

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