• 前言
• 1. Netty 基础

• 1.4.1. 缓冲区（Buffer）
• 1.4.2. 通道（Channel）
• 1.4.3. 选择器（Selector）
• 1.1. Netty 是什么
• 1.2. Netty 的应用场景
• 1.3. Java 中的网络 IO 模型
• 1.4. Java NIO API 简单回顾
• 1.5. 零拷贝技术

• 2. Netty 的架构与原理

• 2.2.1. 单 Reactor 单线程模式
• 2.2.2. 单 Reactor 多线程模式
• 2.2.3. 主从 Reactor 多线程模式
• 2.1. 为什么要制造 Netty
• 2.2. 几种 Reactor 线程模式
• 2.3. Netty 的模样
• 2.4. 基于 Netty 的 TCP Server/Client 案例
• 2.5. Netty 的 Handler 组件
• 2.6. Netty 的 Pipeline 组件
• 2.7. Netty 的 EventLoopGroup 组件
• 2.8. Netty 的 TaskQueue
• 2.9. Netty 的 Future 和 Promise

• 3. 结束语

前言

读者在阅读本文前最好有 Java 的 IO 编程经验（知道 Java 的各种 IO 流），以及 Java 网络编程经验（用 ServerSocket 和 Socket 写过 demo），并对 Java NIO 有基本的认识（至少知道 Channel、Buffer、Selector 中的核心属性和方法，以及三者如何配合使用的），以及 JUC 编程经验（至少知道其中的 Future 异步处理机制），没有也没关系，文中多数会介绍，不影响整体的理解。

文中对于 Reactor 的讲解使用了几张来自网络上的深灰色背景的示意图，但未找到原始出处，文中已标注“图片来源于网络”。

Netty 的设计复杂，接口和类体系庞大，因此我会从不同的层次对有些 Netty 中的重要组件反复描述，以帮助读者理解。

1. Netty 基础

基础好的同学，如果已经掌握了 Java NIO 并对 IO 多路复用的概念有一定的认知，可以跳过本章。

1.1. 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：

054

1.2. Netty 的应用场景

在互联网领域，Netty 作为异步高并发的网络组件，常常用于构建高性能 RPC 框架，以提升分布式服务群之间调用或者数据传输的并发度和速度。例如 Dubbo 的网络层就可以（但并非一定）使用 Netty。

一些大数据基础设施，比如 Hadoop，在处理海量数据的时候，数据在多个计算节点之中传输，为了提高传输性能，也采用 Netty 构建性能更高的网络 IO 层。

在游戏行业，Netty 被用于构建高性能的游戏交互服务器，Netty 提供了 TCP/UDP、HTTP 协议栈，方便开发者基于 Netty 进行私有协议的开发。

……

Netty 作为成熟的高性能异步通信框架，无论是应用在互联网分布式应用开发中，还是在大数据基础设施构建中，亦或是用于实现应用层基于公私协议的服务器等等，都有出色的表现，是一个极好的轮子。

1.3. Java 中的网络 IO 模型

Java 中的网络 IO 模型有三种：BIO、NIO、AIO。

1）BIO：同步的、阻塞式 IO。在这种模型中，服务器上一个线程处理一次连接，即客户端每发起一个请求，服务端都要开启一个线程专门处理该请求。这种模型对线程量的耗费极大，且线程利用率低，难以承受请求的高并发。BIO 虽然可以使用线程池+等待队列进行优化，避免使用过多的线程，但是依然无法解决线程利用率低的问题。

055

使用 BIO 构建 C/S 系统的 Java 编程组件是 ServerSocket 和 Socket。服务端示例代码为：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
    while (true) {
        Socket socket = serverSocket.accept();
        threadPool.execute(() -> {
            handler(socket);
        });
    }
}
/**
 * 处理客户端请求
 */
private static void handler(Socket socket) throws IOException {
    byte[] bytes = new byte[1024];
    InputStream inputStream = socket.getInputStream();
    socket.close();
    while (true) {
        int read = inputStream.read(bytes);
        if (read != -1) {
            System.out.println("msg from client: " + new String(bytes, 0, read));
        } else {
            break;
        }
    }
}

2）NIO：同步的、非阻塞式 IO。在这种模型中，服务器上一个线程处理多个连接，即多个客户端请求都会被注册到多路复用器（后文要讲的 Selector）上，多路复用器会轮训这些连接，轮训到连接上有 IO 活动就进行处理。NIO 降低了线程的需求量，提高了线程的利用率。Netty 就是基于 NIO 的（这里有一个问题：前文大力宣扬 Netty 是一个异步高性能网络应用框架，为何这里又说 Netty 是基于同步的 NIO 的？请读者跟着文章的描述找寻答案）。

NIO 是面向缓冲区编程的，从缓冲区读取数据的时候游标在缓冲区中是可以前后移动的，这就增加了数据处理的灵活性。这和面向流的 BIO 只能顺序读取流中数据有很大的不同。

Java NIO 的非阻塞模式，使得一个线程从某个通道读取数据的时候，若当前有可用数据，则该线程进行处理，若当前无可用数据，则该线程不会保持阻塞等待状态，而是可以去处理其他工作（比如处理其他通道的读写）；同样，一个线程向某个通道写入数据的时候，一旦开始写入，该线程无需等待写完即可去处理其他工作（比如处理其他通道的读写）。这种特性使得一个线程能够处理多个客户端请求，而不是像 BIO 那样，一个线程只能处理一个请求。

使用 NIO 构建 C/S 系统的 Java 编程组件是 Channel、Buffer、Selector。服务端示例代码为：

public static void main(String[] args) throws IOException {
    ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
    Selector selector = Selector.open();
    // 绑定端口
    serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
    // 设置 serverSocketChannel 为非阻塞模式
    serverSocketChannel.configureBlocking(false);
    // 注册 serverSocketChannel 到 selector，关注 OP_ACCEPT 事件
    serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    while (true) {
        // 没有事件发生
        if (selector.select(1000) == 0) {
            continue;
        }
        // 有事件发生，找到发生事件的 Channel 对应的 SelectionKey 的集合
        Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
        Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            SelectionKey selectionKey = iterator.next();
            // 发生 OP_ACCEPT 事件，处理连接请求
            if (selectionKey.isAcceptable()) {
                SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
                // 将 socketChannel 也注册到 selector，关注 OP_READ
                // 事件，并给 socketChannel 关联 Buffer
                socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
            }
            // 发生 OP_READ 事件，读客户端数据
            if (selectionKey.isReadable()) {
                SocketChannel channel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
                ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) selectionKey.attachment();
                channel.read(buffer);
                System.out.println("msg form client: " + new String(buffer.array()));
            }
            // 手动从集合中移除当前的 selectionKey，防止重复处理事件
            iterator.remove();
        }
    }
}

3）AIO：异步非阻塞式 IO。在这种模型中，由操作系统完成与客户端之间的 read/write，之后再由操作系统主动通知服务器线程去处理后面的工作，在这个过程中服务器线程不必同步等待 read/write 完成。由于不同的操作系统对 AIO 的支持程度不同，AIO 目前未得到广泛应用。因此本文对 AIO 不做过多描述。

使用 Java NIO 构建的 IO 程序，它的工作模式是：主动轮训 IO 事件，IO 事件发生后程序的线程主动处理 IO 工作，这种模式也叫做 Reactor 模式。使用 Java AIO 构建的 IO 程序，它的工作模式是：将 IO 事件的处理托管给操作系统，操作系统完成 IO 工作之后会通知程序的线程去处理后面的工作，这种模式也叫做 Proactor 模式。

本节最后，讨论一下网路 IO 中阻塞、非阻塞、异步、同步这几个术语的含义和关系：

• 阻塞：如果线程调用 read/write 过程，但 read/write 过程没有就绪或没有完成，则调用 read/write 过程的线程会一直等待，这个过程叫做阻塞式读写。
• 非阻塞：如果线程调用 read/write 过程，但 read/write 过程没有就绪或没有完成，调用 read/write 过程的线程并不会一直等待，而是去处理其他工作，等到 read/write 过程就绪或完成后再回来处理，这个过程叫做非阻塞式读写。
• 异步：read/write 过程托管给操作系统来完成，完成后操作系统会通知（通过回调或者事件）应用网络 IO 程序（其中的线程）来进行后续的处理。
• 同步：read/write 过程由网络 IO 程序（其中的线程）来完成。

基于以上含义，可以看出：异步 IO 一定是非阻塞 IO；同步 IO 既可以是阻塞 IO、也可以是非阻塞 IO。