Netty原理架构解析

作者: 程序员札记 | 来源:发表于2023-04-02 08:41 被阅读0次

Netty 是什么
1）Netty 是 JBoss 开源项目，是异步的、基于事件驱动的网络应用框架，它以高性能、高并发著称。所谓基于事件驱动，说得简单点就是 Netty 会根据客户端事件（连接、读、写等）做出响应，关于这点，随着文章的论述的展开，读者自然会明白。

2）Netty 主要用于开发基于 TCP 协议的网络 IO 程序（TCP/IP 是网络通信的基石，当然也是 Netty 的基石，Netty 并没有去改变这些底层的网络基础设施，而是在这之上提供更高层的网络基础设施），例如高性能服务器段/客户端、P2P 程序等。

3）Netty 是基于 Java NIO 构建出来的，Java NIO 又是基于 Linux 提供的高性能 IO 接口/系统调用构建出来的。关于 Netty 在网络中的地位，下图可以很好地表达出来：

image.png

Netty是一个异步事件驱动的网络应用程序框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。JDK原生也有一套网络应用程序API，NIO，但是存在一些问题使得用起来不是很方便，主要如下：

NIO的类库和API繁杂，使用麻烦。使用时需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等
需要具备其他的额外技能做铺垫。例如熟悉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
可靠性能力补齐，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、网络拥塞和异常码流的处理等等。NIO编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐工作量和难度都非常大
JDK NIO的Bug。例如Epoll Bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。官方声称在JDK 1.6版本的update 18修复了该问题，但是直到JDK1.7版本该问题仍旧存在，只不过该Bug发生概率降低了一些而已，它并没有被根本解决

Netty对JDK自带的NIO的API进行封装，解决上述问题，主要特点有：

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，可以清晰地分析关注点；高度可定制的线程模型-单线程，一个或多个线程池；真正的无连接数据报套接字支持
使用方便，详细记录的Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK5（Netty3.x）或6 (Netty4.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

Netty常见的使用场景如下：

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作为异步高性能的通信框架，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进行跨节点通信，它的Netty Service基于Netty框架二次封装实现

Netty自以为异步事件驱动的网络，高性能之处主要来自于其I/O模型和线程处理模型，前者决定如何收发数据，后者决定如何处理数据

阻塞I/O

传统阻塞I/O（BIO）的特点是：

每个请求都需要独立的线程完成数据read，业务处理，数据write的完整操作问题
当并发数较大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大
连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则线程就阻塞在read上，造成线程资源浪费

I/O复用模型

在I/O复用模型中，会用到select，这个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同的是这个函数可以在一个线程中同时阻塞多个I/O操作，而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用I/O函数。Netty的非阻塞I/O的实现关键是基于I/O复用模型，这里用selector对象表示。
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连接。
当线程从某客户端Socket通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务
线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其他通道上执行IO操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道
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
一个I/O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I/O-连接-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

基于Buffer

传统的IO是面向字节流活字符流的，以流式的方式顺序地从一个stream中读取一个或多个字节，因此也就不能随意改变读取指针的位置
在NIO中，抛弃了传统的IO流，，而是引入了Channel和Buffer的概念。在NIO中，只能从channel中读取数据到Buffer中或将数据从Buffer中写入到channel中
基于Buffer操作不像传统IO的顺序操作，NIO中可以随意地读取任意位置的数据

事件驱动模型

通常，我们设计一个事件处理模型的程序有两种思路：

轮询方式，线程不断轮询访问相关事件发生源有没有发生事件，有发生事件就调用事件处理逻辑
事件驱动方式，发生事件，主线程吧事件放入事件队列，在另外线程不断循环消费事件列表中的事件，调用事件对应的处理逻辑处理事件。事件驱动方式也被成为消息通知方式，其实是设计模式中的观察者模式的思路

image.png

主要包括4个组件：

事件队列：接收事件的入口，存储待处理事件
分发器：将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元
事件通道：分发器与处理器之间的联系渠道
事件处理器：实现业务逻辑，处理完成后会发出事件，触发下一步操作

可以看出，相对传统轮询模式，事件驱动有如下优点：

可扩展性好，分布式的异步架构，事件处理器之间高度解耦，可以方便扩展事件处理逻辑
高性能，基于队列暂存事件，能方便并行异步处理事件

Reactor线程模型

Reactor是反应堆的意思，Reactor模型是指通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的服务请求的事件驱动处理模式
服务端程序处理传入多路请求，并将它们同步分派给请求对应的处理线程，Reactor模式也叫Dispatcher模式，即I/O多路复用统一监听事件，收到事件后分发(Dispatch给某进程)，是编写高性能网络服务器的必备技术之一

Reactor模型中有2个关键组成：

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事件作出反应。
Handlers，处理程序执行IO事件要完成的实际事件，，reactor通过调用适当的处理程序来响应IO事件，处理程序执行非阻塞操作

image.png

取决于Reactor的数量和Handler线程数量的不同，Reactor模型有3个变种：

单reactor 单线程
单reactor 多线程
主从reactor 多线程

Netty线程模型

Netty主要是基于主从Reactors多线程模型(如下图)做了一些修改，其中主从reactor多线程模型有多个reactor：

MainReactor负责客户端的连接请求，并将请求转交给SubReactor
SubReactor负责相应通道的IO读写请求
非IO请求(具体逻辑处理)的任务则会直接进入写入队列，等到worker threads进行处理

这里引用Doug Lee大神的Reactor介绍：Scalable IO in Java里面关于主从Reactor多线程模型的图：

image.png

特别说明的是：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

异常处理

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者
Netty中的IO操作是异步的，包括Bind、Write、Connect等操作会简单的返回一个channelFuture
调用者并不能立刻获得结果，而是通过Future-Listener机制，用户可以方便的主动获取或通过通知机制来获得IO操作结果
当future对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的ChannelFuture来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作

模块组件

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。

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。

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。

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 。
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** register0、bind0** 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。
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。
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。

ChannelHandlerContext
保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。
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）和 ChannelOutboundInvoker.write（Object）转发到其最近的处理程序。
image.png

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：

image.png

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。

Netty 工作原理架构

初始化并启动 Netty 服务端过程如下：

public static void main(String[] args) {

//** 创建mainReactor**

NioEventLoopGroup boosGroup = newNioEventLoopGroup();

// **创建工作线程组**

NioEventLoopGroup workerGroup = newNioEventLoopGroup();

final ServerBootstrap serverBootstrap = newServerBootstrap();

serverBootstrap

**// 组装NioEventLoopGroup**

. group(boosGroup, workerGroup)

// **设置channel类型为NIO类型**

.channel(NioServerSocketChannel.class)

//** 设置连接配置参数**

.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)

.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)

.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)

// **配置入站、出站事件handler**

.childHandler( newChannelInitializer() {

@ Override

protectedvoidinitChannel(NioSocketChannel ch) {

// 配置入站、出站事件channel

ch.pipeline().addLast(…);

ch.pipeline().addLast(…);

}

});

// **绑定端口**

intport = 8080;

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

if(future.isSuccess()) {

System. out.println( newDate() + “: 端口[”+ port + “]绑定成功!”);

} else{

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

}

});

}

基本过程如下：

初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup，其中 boosGroup 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 EventLoopGroup、Channel 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：

image.png

服务端 Netty Reactor 工作架构图

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，runAllTasks。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，runAllTasks。
其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景。

①用户程序自定义的普通任务

ctx.channel().eventLoop().execute( newRunnable() {

@Override

public void run(){

//…

}

});

②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。

③用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule( newRunnable() {

@Override

publicvoidrun(){

}

}, 60, TimeUnit.SECONDS);

Netty 的模样

Netty 的设计主要基于主从 Reactor 多线程模式，并做了一定的改进。本节将使用一种渐进式的描述方式展示 Netty 的模样，即先给出 Netty 的简单版本，然后逐渐丰富其细节，直至展示出 Netty 的全貌。

简单版本的 Netty 的模样如下：

image.png

关于这张图，作以下几点说明：

1）BossGroup 线程维护 Selector，ServerSocketChannel 注册到这个 Selector 上，只关注连接建立请求事件（相当于主 Reactor）。

2）当接收到来自客户端的连接建立请求事件的时候，通过 ServerSocketChannel.accept 方法获得对应的 SocketChannel，并封装成 NioSocketChannel 注册到 WorkerGroup 线程中的 Selector，每个 Selector 运行在一个线程中（相当于从 Reactor）。

3）当 WorkerGroup 线程中的 Selector 监听到自己感兴趣的 IO 事件后，就调用 Handler 进行处理。

我们给这简单版的 Netty 添加一些细节：

image.png

关于这张图，作以下几点说明：

1）有两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 中的线程（可以有多个，图中只画了一个）专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。

2）BossGroup 和 WorkerGroup 含有多个不断循环的执行事件处理的线程，每个线程都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Channel。

3）每个 BossGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：

3.1）轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）

3.2）处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到 WorkerGroup 中某个线程上的 Selector 上

3.3）再去以此循环处理任务队列中的下一个事件

4）每个 WorkerGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：

4.1）轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）

4.2）在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件

4.3）再去以此循环处理任务队列中的下一个事件

我们再来看下终极版的 Netty 的模样，如下图所示：

image.png

关于这张图，作以下几点说明：

1）Netty 抽象出两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，也可以叫做 BossNioEventLoopGroup 和 WorkerNioEventLoopGroup。每个线程池中都有 NioEventLoop 线程。BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。BossGroup 和 WorkerGroup 的类型都是 NioEventLoopGroup。

2）NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每个事件循环就是一个 NioEventLoop。

3）NioEventLoop 表示一个不断循环的执行事件处理的线程，每个 NioEventLoop 都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Socket 网络连接（Channel）。

4）NioEventLoopGroup 可以含有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop。

5）每个 BossNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：

5.1）select：轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）

5.2）processSelectedKeys：处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到某个 WorkerNioEventLoop 上的 Selector 上

5.3）runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务

6）每个 WorkerNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：

6.1）select：轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）

6.2）processSelectedKeys：在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件

6.3）runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务

7）在以上两个processSelectedKeys步骤中，会使用 Pipeline（管道），Pipeline 中引用了 Channel，即通过 Pipeline 可以获取到对应的 Channel，Pipeline 中维护了很多的处理器（拦截处理器、过滤处理器、自定义处理器等）。这里暂时不详细展开讲解 Pipeline。

2.4. 基于 Netty 的 TCP Server/Client 案例
下面我们写点代码来加深理解 Netty 的模样。下面两段代码分别是基于 Netty 的 TCP Server 和 TCP Client。

服务端代码为：

/**
 * 需要的依赖：
 * <dependency>
 * <groupId>io.netty</groupId>
 * <artifactId>netty-all</artifactId>
 * <version>4.1.52.Final</version>
 * </dependency>
 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
    // 创建 BossGroup 和 WorkerGroup
    // 1. bossGroup 只处理连接请求
    // 2. 业务处理由 workerGroup 来完成
    EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
    EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
 
    try {
        // 创建服务器端的启动对象
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
        // 配置参数
        bootstrap
                // 设置线程组
                .group(bossGroup, workerGroup)
                // 说明服务器端通道的实现类（便于 Netty 做反射处理）
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                // 设置等待连接的队列的容量（当客户端连接请求速率大
             // 于 NioServerSocketChannel 接收速率的时候，会使用
                // 该队列做缓冲）
                // option()方法用于给服务端的 ServerSocketChannel
                // 添加配置
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
                // 设置连接保活
                // childOption()方法用于给服务端 ServerSocketChannel
                // 接收到的 SocketChannel 添加配置
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                // handler()方法用于给 BossGroup 设置业务处理器
                // childHandler()方法用于给 WorkerGroup 设置业务处理器
                .childHandler(
                        // 创建一个通道初始化对象
                        new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                            // 向 Pipeline 添加业务处理器
                            @Override
                            protected void initChannel(
                                    SocketChannel socketChannel
                            ) throws Exception {
                                socketChannel.pipeline().addLast(
                                        new NettyServerHandler()
                                );
                                
                                // 可以继续调用 socketChannel.pipeline().addLast()
                                // 添加更多 Handler
                            }
                        }
                );
 
        System.out.println("server is ready...");
 
        // 绑定端口，启动服务器，生成一个 channelFuture 对象，
        // ChannelFuture 涉及到 Netty 的异步模型，后面展开讲
        ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).sync();
        // 对通道关闭进行监听
        channelFuture.channel().closeFuture().sync();
    } finally {
        bossGroup.shutdownGracefully();
        workerGroup.shutdownGracefully();
    }
}
 
/**
 * 自定义一个 Handler，需要继承 Netty 规定好的某个 HandlerAdapter（规范）
 * InboundHandler 用于处理数据流入本端（服务端）的 IO 事件
 * InboundHandler 用于处理数据流出本端（服务端）的 IO 事件
 */
static class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    /**
     * 当通道有数据可读时执行
     *
     * @param ctx 上下文对象，可以从中取得相关联的 Pipeline、Channel、客户端地址等
     * @param msg 客户端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
            throws Exception {
        // 接收客户端发来的数据
 
        System.out.println("client address: "
                + ctx.channel().remoteAddress());
 
        // ByteBuf 是 Netty 提供的类，比 NIO 的 ByteBuffer 性能更高
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("data from client: "
                + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }
 
    /**
     * 数据读取完毕后执行
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx)
            throws Exception {
        // 发送响应给客户端
        ctx.writeAndFlush(
                // Unpooled 类是 Netty 提供的专门操作缓冲区的工具
                // 类，copiedBuffer 方法返回的 ByteBuf 对象类似于
                // NIO 中的 ByteBuffer，但性能更高
                Unpooled.copiedBuffer(
                        "hello client! i have got your data.",
                        CharsetUtil.UTF_8
                )
        );
    }
 
    /**
     * 发生异常时执行
     *
     * @param ctx   上下文对象
     * @param cause 异常对象
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
            throws Exception {
        // 关闭与客户端的 Socket 连接
        ctx.channel().close();
    }
}

客户端端代码为：

/**
 * 需要的依赖：
 * <dependency>
 * <groupId>io.netty</groupId>
 * <artifactId>netty-all</artifactId>
 * <version>4.1.52.Final</version>
 * </dependency>
 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
    // 客户端只需要一个事件循环组，可以看做 BossGroup
    EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
 
    try {
        // 创建客户端的启动对象
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        // 配置参数
        bootstrap
                // 设置线程组
                .group(eventLoopGroup)
                // 说明客户端通道的实现类（便于 Netty 做反射处理）
                .channel(NioSocketChannel.class)
                // handler()方法用于给 BossGroup 设置业务处理器
                .handler(
                        // 创建一个通道初始化对象
                        new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                            // 向 Pipeline 添加业务处理器
                            @Override
                            protected void initChannel(
                                    SocketChannel socketChannel
                            ) throws Exception {
                                socketChannel.pipeline().addLast(
                                        new NettyClientHandler()
                                );
                                
                                // 可以继续调用 socketChannel.pipeline().addLast()
                                // 添加更多 Handler
                            }
                        }
                );
 
        System.out.println("client is ready...");
 
        // 启动客户端去连接服务器端，ChannelFuture 涉及到 Netty 的异步模型，后面展开讲
        ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect(
                "127.0.0.1",
                8080).sync();
        // 对通道关闭进行监听
        channelFuture.channel().closeFuture().sync();
    } finally {
        eventLoopGroup.shutdownGracefully();
    }
}
 
/**
 * 自定义一个 Handler，需要继承 Netty 规定好的某个 HandlerAdapter（规范）
 * InboundHandler 用于处理数据流入本端（客户端）的 IO 事件
 * InboundHandler 用于处理数据流出本端（客户端）的 IO 事件
 */
static class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    /**
     * 通道就绪时执行
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx)
            throws Exception {
        // 向服务器发送数据
        ctx.writeAndFlush(
                // Unpooled 类是 Netty 提供的专门操作缓冲区的工具
                // 类，copiedBuffer 方法返回的 ByteBuf 对象类似于
                // NIO 中的 ByteBuffer，但性能更高
                Unpooled.copiedBuffer(
                        "hello server!",
                        CharsetUtil.UTF_8
                )
        );
    }
 
    /**
     * 当通道有数据可读时执行
     *
     * @param ctx 上下文对象
     * @param msg 服务器端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
            throws Exception {
        // 接收服务器端发来的数据
 
        System.out.println("server address: "
                + ctx.channel().remoteAddress());
 
        // ByteBuf 是 Netty 提供的类，比 NIO 的 ByteBuffer 性能更高
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("data from server: "
                + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }
 
    /**
     * 发生异常时执行
     *
     * @param ctx   上下文对象
     * @param cause 异常对象
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause)
            throws Exception {
        // 关闭与服务器端的 Socket 连接
        ctx.channel().close();
    }
}

通过这么两段简短的代码得到了一个基于主从 Reactor 多线程模式的服务器，一个高吞吐量和并发量的服务器，一个异步处理服务器。

对上面的两段代码，作以下简单说明：

1）Bootstrap 和 ServerBootstrap 分别是客户端和服务器端的引导类，一个 Netty 应用程序通常由一个引导类开始，主要是用来配置整个 Netty 程序、设置业务处理类（Handler）、绑定端口、发起连接等。

2）客户端创建一个 NioSocketChannel 作为客户端通道，去连接服务器。

3）服务端首先创建一个 NioServerSocketChannel 作为服务器端通道，每当接收一个客户端连接就产生一个 NioSocketChannel 应对该客户端。

4）使用 Channel 构建网络 IO 程序的时候，不同的协议、不同的阻塞类型和 Netty 中不同的 Channel 对应，常用的 Channel 有：

NioSocketChannel：非阻塞的 TCP 客户端 Channel（本案例的客户端使用的 Channel）
NioServerSocketChannel：非阻塞的 TCP 服务器端 Channel（本案例的服务器端使用的 Channel）
NioDatagramChannel：非阻塞的 UDP Channel
NioSctpChannel：非阻塞的 SCTP 客户端 Channel
NioSctpServerChannel：非阻塞的 SCTP 服务器端 Channel
......
启动服务端和客户端代码，调试以上的服务端代码，发现：

1）默认情况下 BossGroup 和 WorkerGroup 都包含 16 个线程（NioEventLoop），这是因为我的 PC 是 8 核的 NioEventLoop 的数量=coreNum*2。这 16 个线程相当于主 Reactor。

image.png

其实创建 BossGroup 和 WorkerGroup 的时候可以指定 NioEventLoop 数量，如下：

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(16);

这样就能更好地分配线程资源。

2）每一个 NioEventLoop 包含如下的属性（比如自己的 Selector、任务队列、执行器等）：

image.png

3）将代码断在服务端的 NettyServerHandler.channelRead 上：

image.png

可以看到 ctx 中包含的属性如下：

image.png

可以看到：

当前 ChannelHandlerContext ctx 是位于 ChannelHandlerContext 责任链中的一环，可以看到其 next、prev 属性
当前 ChannelHandlerContext ctx 包含一个 Handler
当前 ChannelHandlerContext ctx 包含一个 Pipeline
Pipeline 本质上是一个双向循环列表，可以看到其 tail、head 属性
Pipeline 中包含一个 Channel，Channel 中又包含了该 Pipeline，两者互相引用
……
从下一节开始，我将深入剖析以上两段代码，向读者展示 Netty 的更多细节。

Netty 的 Handler 组件

无论是服务端代码中自定义的 NettyServerHandler 还是客户端代码中自定义的 NettyClientHandler，都继承于 ChannelInboundHandlerAdapter，ChannelInboundHandlerAdapter 又继承于 ChannelHandlerAdapter，ChannelHandlerAdapter 又实现了 ChannelHandler：

public class ChannelInboundHandlerAdapter 
    extends ChannelHandlerAdapter 
    implements ChannelInboundHandler {
    ......
 
public abstract class ChannelHandlerAdapter 
    implements ChannelHandler {
    ......

因此无论是服务端代码中自定义的 NettyServerHandler 还是客户端代码中自定义的 NettyClientHandler，都可以统称为 ChannelHandler。

Netty 中的 ChannelHandler 的作用是，在当前 ChannelHandler 中处理 IO 事件，并将其传递给 ChannelPipeline 中下一个 ChannelHandler 处理，因此多个 ChannelHandler 形成一个责任链，责任链位于 ChannelPipeline 中。

数据在基于 Netty 的服务器或客户端中的处理流程是：读取数据-->解码数据-->处理数据-->编码数据-->发送数据。其中的每个过程都用得到 ChannelHandler 责任链。

image.png

Netty 中的 ChannelHandler 体系如下：

image.png

其中：

ChannelInboundHandler 用于处理入站 IO 事件
ChannelOutboundHandler 用于处理出站 IO 事件
ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 IO 事件
ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 IO 事件

ChannelPipeline 提供了 ChannelHandler 链的容器。以客户端应用程序为例，如果事件的方向是从客户端到服务器的，我们称事件是出站的，那么客户端发送给服务器的数据会通过 Pipeline 中的一系列 ChannelOutboundHandler 进行处理；如果事件的方向是从服务器到客户端的，我们称事件是入站的，那么服务器发送给客户端的数据会通过 Pipeline 中的一系列 ChannelInboundHandler 进行处理。

image.png

无论是服务端代码中自定义的 NettyServerHandler 还是客户端代码中自定义的 NettyClientHandler，都继承于 ChannelInboundHandlerAdapter，ChannelInboundHandlerAdapter 提供的方法如下：

image.png

从方法名字可以看出，它们在不同的事件发生后被触发，例如注册 Channel 时执行 channelRegistred()、添加 ChannelHandler 时执行 handlerAdded()、收到入站数据时执行 channelRead()、入站数据读取完毕后执行 channelReadComplete()等等。

Netty 的 Pipeline 组件

上一节说到，Netty 的 ChannelPipeline，它维护了一个 ChannelHandler 责任链，负责拦截或者处理 inbound（入站）和 outbound（出站）的事件和操作。这一节给出更深层次的描述。

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 ChannelHandler 如何相互交互。

每个 Netty Channel 包含了一个 ChannelPipeline（其实 Channel 和 ChannelPipeline 互相引用），而 ChannelPipeline 又维护了一个由 ChannelHandlerContext 构成的双向循环列表，其中的每一个 ChannelHandlerContext 都包含一个 ChannelHandler。（前文描述的时候为了简便，直接说 ChannelPipeline 包含了一个 ChannelHandler 责任链，这里给出完整的细节。）

如下图所示：

image.png

还记得下面这张图吗？这是上文中基于 Netty 的 Server 程序的调试截图，可以从中看到 ChannelHandlerContext 中包含了哪些成分：

image.png

ChannelHandlerContext 除了包含 ChannelHandler 之外，还关联了对应的 Channel 和 Pipeline。可以这么来讲：ChannelHandlerContext、ChannelHandler、Channel、ChannelPipeline 这几个组件之间互相引用，互为各自的属性，你中有我、我中有你。

在处理入站事件的时候，入站事件及数据会从 Pipeline 中的双向链表的头 ChannelHandlerContext 流向尾 ChannelHandlerContext，并依次在其中每个 ChannelInboundHandler（例如解码 Handler）中得到处理；出站事件及数据会从 Pipeline 中的双向链表的尾 ChannelHandlerContext 流向头 ChannelHandlerContext，并依次在其中每个 ChannelOutboundHandler（例如编码 Handler）中得到处理。

image.png

Netty 的 EventLoopGroup 组件

在基于 Netty 的 TCP Server 代码中，包含了两个 EventLoopGroup——bossGroup 和 workerGroup，EventLoopGroup 是一组 EventLoop 的抽象。

追踪 Netty 的 EventLoop 的继承链，可以发现 EventLoop 最终继承于 JUC Executor，因此 EventLoop 本质就是一个 JUC Executor，即线程，JUC Executor 的源码为：

public interface Executor {
    /**
     * Executes the given command at some time in the future.
     */
    void execute(Runnable command);
}

Netty 为了更好地利用多核 CPU 的性能，一般会有多个 EventLoop 同时工作，每个 EventLoop 维护着一个 Selector 实例，Selector 实例监听注册其上的 Channel 的 IO 事件。

EventLoopGroup 含有一个 next 方法，它的作用是按照一定规则从 Group 中选取一个 EventLoop 处理 IO 事件。

在服务端，通常 Boss EventLoopGroup 只包含一个 Boss EventLoop（单线程），该 EventLoop 维护者一个注册了 ServerSocketChannel 的 Selector 实例。该 EventLoop 不断轮询 Selector 得到 OP_ACCEPT 事件（客户端连接事件），然后将接收到的 SocketChannel 交给 Worker EventLoopGroup，Worker EventLoopGroup 会通过 next()方法选取一个 Worker EventLoop 并将这个 SocketChannel 注册到其中的 Selector 上，由这个 Worker EventLoop 负责该 SocketChannel 上后续的 IO 事件处理。整个过程如下图所示：

image.png

Netty 的 TaskQueue

在 Netty 的每一个 NioEventLoop 中都有一个 TaskQueue，设计它的目的是在任务提交的速度大于线程的处理速度的时候起到缓冲作用。或者用于异步地处理 Selector 监听到的 IO 事件。

image.png

Netty 中的任务队列有三种使用场景：

1）处理用户程序的自定义普通任务的时候

2）处理用户程序的自定义定时任务的时候

3）非当前 Reactor 线程调用当前 Channel 的各种方法的时候。

对于第一种场景，举个例子，2.4 节的基于 Netty 编写的服务端的 Handler 中，假如 channelRead 方法中执行的过程很耗时，那么以下的阻塞式处理方式无疑会降低当前 NioEventLoop 的并发度：

/**
 * 当通道有数据可读时执行
 *
 * @param ctx 上下文对象
 * @param msg 客户端发送的数据
 * @throws Exception
 */
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
        throws Exception {
    // 借助休眠模拟耗时操作
    Thread.sleep(LONG_TIME);
 
    ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
    System.out.println("data from client: "
            + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
}

改进方法就是借助任务队列，代码如下：

/**
 * 当通道有数据可读时执行
 *
 * @param ctx 上下文对象
 * @param msg 客户端发送的数据
 * @throws Exception
 */
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
        throws Exception {
    // 假如这里的处理非常耗时，那么就需要借助任务队列异步执行
 
    final Object finalMsg = msg;
 
    // 通过 ctx.channel().eventLoop().execute()将耗时
    // 操作放入任务队列异步执行
    ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
        public void run() {
            // 借助休眠模拟耗时操作
            try {
                Thread.sleep(LONG_TIME);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
 
            ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) finalMsg;
            System.out.println("data from client: "
                    + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        }
    });
    
    // 可以继续调用 ctx.channel().eventLoop().execute()
    // 将更多操作放入队列
    
    System.out.println("return right now.");
}

断点跟踪这个函数的执行，可以发现该耗时任务确实被放入的当前 NioEventLoop 的 taskQueue 中了。

image.png

对于第二种场景，举个例子，2.4 节的基于 Netty 编写的服务端的 Handler 中，假如 channelRead 方法中执行的过程并不需要立即执行，而是要定时执行，那么代码可以这样写：

/**
 * 当通道有数据可读时执行
 *
 * @param ctx 上下文对象
 * @param msg 客户端发送的数据
 * @throws Exception
 */
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
        throws Exception {
 
    final Object finalMsg = msg;
 
    // 通过 ctx.channel().eventLoop().schedule()将操作
    // 放入任务队列定时执行（5min 之后才进行处理）
    ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
        public void run() {
 
            ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) finalMsg;
            System.out.println("data from client: "
                    + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        }
    }, 5, TimeUnit.MINUTES);
    
    // 可以继续调用 ctx.channel().eventLoop().schedule()
    // 将更多操作放入队列
 
    System.out.println("return right now.");
}

断点跟踪这个函数的执行，可以发现该定时任务确实被放入的当前 NioEventLoop 的 scheduleTasjQueue 中了。

image.png

对于第三种场景，举个例子，比如在基于 Netty 构建的推送系统的业务线程中，要根据用户标识，找到对应的 SocketChannel 引用，然后调用 write 方法向该用户推送消息，这时候就会将这一 write 任务放在任务队列中，write 任务最终被异步消费。这种情形是对前两种情形的应用，且涉及的业务内容太多，不再给出示例代码，读者有兴趣可以自行完成，这里给出以下提示：

image.png

Netty 的 Future 和 Promise

Netty对使用者提供的多数 IO 接口（即 Netty Channel 中的 IO 方法）是异步的（即都立即返回一个 Netty Future，而 IO 过程异步进行），因此，调用者调用 IO 操作后是不能直接拿到调用结果的。要想得到 IO 操作结果，可以借助 Netty 的 Future（上面代码中的 ChannelFuture 就继承了 Netty Future，Netty Future 又继承了 JUC Future）查询执行状态、等待执行结果、获取执行结果等，使用过 JUC Future 接口的同学会非常熟悉这个机制，这里不再展开描述了。也可以通过 Netty Future 的 addListener()添加一个回调方法来异步处理 IO 结果，如下：

// 启动客户端去连接服务器端
// 由于 bootstrap.connect()是一个异步操作，因此用.sync()等待
// 这个异步操作完成
final ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect(
        "127.0.0.1",
        8080).sync();
 
channelFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
    /**
     * 回调方法，上面的 bootstrap.connect()操作执行完之后触发
     */
    public void operationComplete(ChannelFuture future)
            throws Exception {
        if (channelFuture.isSuccess()) {
            System.out.println("client has connected to server!");
            // TODO 其他处理
        } else {
            System.out.println("connect to serverfail!");
            // TODO 其他处理
        }
    }
});

Netty Future 提供的接口有：

image.png

注：会有一些资料给出这样的描述：“Netty 中所有的 IO 操作都是异步的”，这显然是错误的。Netty 基于 Java NIO，Java NIO 是同步非阻塞 IO。Netty 基于 Java NIO 做了封装，向使用者提供了异步特性的接口，因此本文说 Netty对使用者提供的多数 IO 接口（即 Netty Channel 中的 IO 方法）是异步的。例如在 io.netty.channel.ChannelOutboundInvoker（Netty Channel 的 IO 方法多继承于此）提供的多数 IO 接口都返回 Netty Future：

image.png

Promise 是可写的 Future，Future 自身并没有写操作相关的接口，Netty 通过 Promise 对 Future 进行扩展，用于设置 IO 操作的结果。Future 继承了 Future，相关的接口定义如下图所示，相比于上图 Future 的接口，它多出了一些 setXXX 方法：

image.png

Netty 发起 IO 写操作的时候，会创建一个新的 Promise 对象，例如调用 ChannelHandlerContext 的 write(Object object)方法时，会创建一个新的 ChannelPromise，相关代码如下：

@Override
public ChannelFuture write(Object msg) {
    return write(msg, newPromise());
}
......
@Override
public ChannelPromise newPromise() {
    return new DefaultChannelPromise(channel(), executor());
}
......

当 IO 操作发生异常或者完成时，通过 Promise.setSuccess()或者 Promise.setFailure()设置结果，并通知所有 Listener。

结束语

我想，到此为止，读者再次看到这幅 Netty 的架构图会有不一样的感觉。它变得简洁、生动、优雅，因为你已经熟知了它的细节和运作流程。

image.png

Netty原理架构解析

阻塞I/O

I/O复用模型

基于Buffer

事件驱动模型

Reactor线程模型

Netty线程模型

异常处理

Channel

Netty 工作原理架构

Netty 的模样

Netty 的 Handler 组件

Netty 的 Pipeline 组件

Netty 的 EventLoopGroup 组件

Netty 的 TaskQueue

Netty 的 Future 和 Promise

结束语

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