高并发架构系列:Netty的实现原理、特点与优势、以及适用场景

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Netty

高并发架构系列:Netty的实现原理、特点与优势、以及适用场景

1.介绍

Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。

Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架,它提供了对TCP、UDP和文件传输的支持。作为当前最流行的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,一些业界著名的开源组件也基于Netty的NIO框架构建(文章尾有详细介绍)。

2.Netty的特点

Netty是一款基于NIO(Nonblocking I/O,非阻塞IO)开发的网络通信框架,对比于BIO(Blocking I/O,阻塞IO),他的并发性能得到了很大提高 。

  •  传输快

Netty的传输快其实也是依赖了NIO的一个特性——零拷贝。

  •  封装好

Netty封装了NIO操作的很多细节,提供易于使用的API。

什么选择Netty

JDK 原生也有一套网络应用程序 API,但是存在一系列问题,主要如下:

1)NIO 的类库和 API 繁杂,使用麻烦:你需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。

2)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路编程非常熟悉,才能编写出高质量的 NIO 程序。

3)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。

4)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%。官方声称在 JDK
1.6 版本的 update 18 修复了该问题,但是直到 JDK 1.7 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框架的优势

  •  API使用简单,开发门槛低;
  •  功能强大,预置了多种编解码功能,支持多种主流协议;
  •  定制能力强,可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活地扩展;
  •  性能高,通过与其他业界主流的NIO框架对比,Netty的综合性能最优;
  •  成熟、稳定,Netty修复了已经发现的所有JDK NIO BUG,业务开发人员不需要再为NIO的BUG而烦恼;
  •  社区活跃,版本迭代周期短,发现的BUG可以被及时修复,同时,更多的新功能会加入;
  •  经历了大规模的商业应用考验,质量得到验证。在互联网、大数据、网络游戏、企业应用、电信软件等众多行业得到成功商用,证明了它已经完全能够满足不同行业的商业应用了。

Netty的架构设计

总体结构

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:

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1)传输服务:支持 BIO 和 NIO;

2)容器集成:支持 OSGI、JBossMC、Spring、Guice 容器;

3)协议支持:HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket 等一系列常见协议都支持。还支持通过实行编码解码逻辑来实现自定义协议;

4)Core 核心:可扩展事件模型、通用通信 API、支持零拷贝的 ByteBuf 缓冲对象。

Netty的高性能设计

1.高性能的三大要素

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1) 传输:用什么样的通道将数据发送给对方,BIO、NIO或者AIO,IO模型在很大程度上决定了框架的性能。

2) 协议:采用什么样的通信协议,HTTP或者内部私有协议。协议的选择不同,性能模型也不同。相比于公有协议,内部私有协议的性能通常可以被设计的更优。

3) 线程:数据报如何读取?读取之后的编解码在哪个线程进行,编解码后的消息如何派发,Reactor线程模型的不同,对性能的影响也非常大。

2.IO模型

Netty的I/O模型基于非阻塞I/O实现,底层依赖的是JDK NIO框架的Selector。

3.Reactor线程模型

关于Java NIO 构造Reator模式,Doug lea在《Scalable IO in Java》中给了很好的阐述,这里截取PPT对Reator模式的实现进行说明。

1)Reactor单线程模型:Reactor单线程模型,指的是所有的I/O操作都在同一个NIO线程上面完成。对于一些小容量应用场景,可以使用单线程模型。

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2)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I/O操作。主要用于高并发、大业务量场景。

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3)主从Reactor多线程模型:主从Reactor线程模型的特点是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。利用主从NIO线程模型,可以解决1个服务端监听线程无法有效处理所有客户端连接的性能不足问题。

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4.Netty的线程模型

说完了Reactor的三种模型,那么Netty是哪一种呢?其实Netty的线程模型是Reactor模型的变种,那就是去掉线程池的第三种形式的变种,这也是Netty NIO的默认模式。

Netty的核心组件

Netty应用中必不可少的组件:

  •  Bootstrap or ServerBootstrap
  •  EventLoop
  •  EventLoopGroup
  •  ChannelPipeline
  •  Channel
  •  Future or ChannelFuture
  •  ChannelInitializer
  •  ChannelHandler

1.Bootstrap

一个Netty应用通常由一个Bootstrap开始,它主要作用是配置整个Netty程序,串联起各个组件。

Handler,为了支持各种协议和处理数据的方式,便诞生了Handler组件。Handler主要用来处理各种事件,这里的事件很广泛,比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。

2.ChannelInboundHandler

一个最常用的Handler。这个Handler的作用就是处理接收到数据时的事件,也就是说,我们的业务逻辑一般就是写在这个Handler里面的,ChannelInboundHandler就是用来处理我们的核心业务逻辑。

3.ChannelInitializer

当一个链接建立时,我们需要知道怎么来接收或者发送数据,当然,我们有各种各样的Handler实现来处理它,那么ChannelInitializer便是用来配置这些Handler,它会提供一个ChannelPipeline,并把Handler加入到ChannelPipeline。

4.ChannelPipeline

一个Netty应用基于ChannelPipeline机制,这种机制需要依赖于EventLoop和EventLoopGroup,因为它们三个都和事件或者事件处理相关。

EventLoops的目的是为Channel处理IO操作,一个EventLoop可以为多个Channel服务。

EventLoopGroup会包含多个EventLoop。

5.Channel

代表了一个Socket链接,或者其它和IO操作相关的组件,它和EventLoop一起用来参与IO处理。

6.Future

在Netty中所有的IO操作都是异步的,因此,你不能立刻得知消息是否被正确处理,但是我们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。

总之,所有的操作都会返回一个ChannelFuture。

Netty的应用场景

1.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。

除了 Dubbo 之外,淘宝的消息中间件 RocketMQ 的消息生产者和消息消费者之间,也采用 Netty 进行高性能、异步通信。

2.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

3.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。


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