45 张图深度解析 Netty 架构与原理(三)

简介: 作为一个学 Java 的,如果没有研究过 Netty,那么你对 Java 语言的使用和理解仅仅停留在表面水平,会点 SSH 写几个 MVC,访问数据库和缓存,这些只是初等 Java 程序员干的事。如果你要进阶,想了解 Java 服务器的深层高阶知识,Netty 绝对是一个必须要过的门槛。 接下来我们会学习一个 Netty 系列教程,Netty 系列由「架构与原理」,「源码」,「架构」三部分组成,今天我们先来看看第一部分:Netty 架构与原理初探,大纲如下:

2. Netty 的架构与原理

2.1. 为什么要制造 Netty

既然 Java 提供了 NIO,为什么还要制造一个 Netty,主要原因是 Java NIO 有以下几个缺点:

1)Java NIO 的类库和 API 庞大繁杂,使用起来很麻烦,开发工作量大。

2)使用 Java NIO,程序员需要具备高超的 Java 多线程编码技能,以及非常熟悉网络编程,比如要处理断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流处理等一系列棘手的工作。

3)Java NIO 存在 Bug,例如 Epoll Bug 会导致 Selector 空轮训,极大耗费 CPU 资源。

Netty 对于 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装,解决了上述问题,提高了 IO 程序的开发效率和可靠性,同时 Netty:

1)设计优雅,提供阻塞和非阻塞的 Socket;提供灵活可拓展的事件模型;提供高度可定制的线程模型。

2)具备更高的性能和更大的吞吐量,使用零拷贝技术最小化不必要的内存复制,减少资源的消耗。

3)提供安全传输特性。

4)支持多种主流协议;预置多种编解码功能,支持用户开发私有协议。

**注:所谓支持 TCP、UDP、HTTP、WebSocket 等协议,就是说 Netty 提供了相关的编程类和接口,因此本文后面主要对基于 Netty 的 TCP Server/Client 开发案例进行讲解,以展示 Netty 的核心原理,对于其他协议 Server/Client 开发不再给出示例,帮助读者提升内力而非教授花招是我写作的出发点 :-) **

下图为 Netty 官网给出的 Netty 架构图。

109.jpg062

我们从其中的几个关键词就能看出 Netty 的强大之处:零拷贝、可拓展事件模型;支持 TCP、UDP、HTTP、WebSocket 等协议;提供安全传输、压缩、大文件传输、编解码支持等等。

2.2. 几种 Reactor 线程模式

传统的 BIO 服务端编程采用“每线程每连接”的处理模型,弊端很明显,就是面对大量的客户端并发连接时,服务端的资源压力很大;并且线程的利用率很低,如果当前线程没有数据可读,它会阻塞在 read 操作上。这个模型的基本形态如下图所示(图片来源于网络)。

110.jpg063

BIO 服务端编程采用的是 Reactor 模式(也叫做 Dispatcher 模式,分派模式),Reactor 模式有两个要义:

1)基于 IO 多路复用技术,多个连接共用一个多路复用器,应用程序的线程无需阻塞等待所有连接,只需阻塞等待多路复用器即可。当某个连接上有新数据可以处理时,应用程序的线程从阻塞状态返回,开始处理这个连接上的业务。

2)基于线程池技术复用线程资源,不必为每个连接创建专用的线程,应用程序将连接上的业务处理任务分配给线程池中的线程进行处理,一个线程可以处理多个连接的业务。

下图反应了 Reactor 模式的基本形态(图片来源于网络):

111.jpg064

Reactor 模式有两个核心组成部分:

1)Reactor(图中的 ServiceHandler):Reactor 在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理线程来对 IO 事件做出反应。

2)Handlers(图中的 EventHandler):处理线程执行处理方法来响应 I/O 事件,处理线程执行的是非阻塞操作。

Reactor 模式就是实现网络 IO 程序高并发特性的关键。它又可以分为单 Reactor 单线程模式、单 Reactor 多线程模式、主从 Reactor 多线程模式。

2.2.1. 单 Reactor 单线程模式

单 Reactor 单线程模式的基本形态如下(图片来源于网络):

112.jpg065

这种模式的基本工作流程为:

1)Reactor 通过 select 监听客户端请求事件,收到事件之后通过 dispatch 进行分发

2)如果事件是建立连接的请求事件,则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求,然后创建一个 Handler 对象处理连接建立后的后续业务处理。

3)如果事件不是建立连接的请求事件,则由 Reactor 对象分发给连接对应的 Handler 处理。

4)Handler 会完成 read-->业务处理-->send 的完整处理流程。

这种模式的优点是:模型简单,没有多线程、进程通信、竞争的问题,一个线程完成所有的事件响应和业务处理。当然缺点也很明显:

1)存在性能问题,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。

2)存在可靠性问题,若线程意外终止,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。

单 Reactor 单线程模式使用场景为: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为 O(1)的情况。

2.2.2. 单 Reactor 多线程模式

单 Reactor 单线程模式的基本形态如下(图片来源于网络):

113.jpg066

这种模式的基本工作流程为:

1)Reactor 对象通过 select 监听客户端请求事件,收到事件后通过 dispatch 进行分发。

2)如果事件是建立连接的请求事件,则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求,然后创建一个 Handler 对象处理连接建立后的后续业务处理。

3)如果事件不是建立连接的请求事件,则由 Reactor 对象分发给连接对应的 Handler 处理。Handler 只负责响应事件,不做具体的业务处理,Handler 通过 read 读取到请求数据后,会分发给后面的 Worker 线程池来处理业务请求。

4)Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理,并将处理结果返回给 Handler。Handler 通过 send 向客户端发送响应数据。

这种模式的优点是可以充分的利用多核 cpu 的处理能力,缺点是多线程数据共享和控制比较复杂,Reactor 处理所有的事件的监听和响应,在单线程中运行,面对高并发场景还是容易出现性能瓶颈。

2.2.3. 主从 Reactor 多线程模式

主从 Reactor 多线程模式的基本形态如下(第一章图片来源于网络,第二章图片是 JUC 作者 Doug Lea 老师在《Scalable IO in Java》中给出的示意图,两张图表达的含义一样):

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针对单 Reactor 多线程模型中,Reactor 在单个线程中运行,面对高并发的场景易成为性能瓶颈的缺陷,主从 Reactor 多线程模式让 Reactor 在多个线程中运行(分成 MainReactor 线程与 SubReactor 线程)。这种模式的基本工作流程为:

1)Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听客户端连接事件,收到事件后,通过 Acceptor 处理客户端连接事件。

2)当 Acceptor 处理完客户端连接事件之后(与客户端建立好 Socket 连接),MainReactor 将连接分配给 SubReactor。(即:MainReactor 只负责监听客户端连接请求,和客户端建立连接之后将连接交由 SubReactor 监听后面的 IO 事件。)

3)SubReactor 将连接加入到自己的连接队列进行监听,并创建 Handler 对各种事件进行处理。

4)当连接上有新事件发生的时候,SubReactor 就会调用对应的 Handler 处理。

5)Handler 通过 read 从连接上读取请求数据,将请求数据分发给 Worker 线程池进行业务处理。

6)Worker 线程池会分配独立线程来完成真正的业务处理,并将处理结果返回给 Handler。Handler 通过 send 向客户端发送响应数据。

7)一个 MainReactor 可以对应多个 SubReactor,即一个 MainReactor 线程可以对应多个 SubReactor 线程。

这种模式的优点是:

1)MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单职责明确,MainReactor 线程只需要接收新连接,SubReactor 线程完成后续的业务处理。

2)MainReactor 线程与 SubReactor 线程的数据交互简单, MainReactor 线程只需要把新连接传给 SubReactor 线程,SubReactor 线程无需返回数据。

3)多个 SubReactor 线程能够应对更高的并发请求。

这种模式的缺点是编程复杂度较高。但是由于其优点明显,在许多项目中被广泛使用,包括 Nginx、Memcached、Netty 等。

这种模式也被叫做服务器的 1+M+N 线程模式,即使用该模式开发的服务器包含一个(或多个,1 只是表示相对较少)连接建立线程+M 个 IO 线程+N 个业务处理线程。这是业界成熟的服务器程序设计模式。

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