netty原理分析

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,作为一个异步NIO框架,Netty的所有IO操作都是异步非阻塞的,通过Future-Listener机制,用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得IO操作结果。

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。

Netty架构分析

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:

第一层:Reactor 通信调度层,它由一系列辅助类完成,包括 Reactor 线程 NioEventLoop 以及其父类、NioSocketChannel/NioServerSocketChannel 以及其父类、ByteBuffer 以及由其衍生出来的各种 Buffer、Unsafe 以及其衍生出的各种内部类等。该层的主要职责就是监听网络的读写和连接操作,负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中,然后触发各种网络事件,例如连接创建、连接激活、读事件、写事件等等,将这些事件触发到 PipeLine 中,由 PipeLine 充当的职责链来进行后续的处理。

第二层:职责链 PipeLine,它负责事件在职责链中的有序传播,同时负责动态的编排职责链,职责链可以选择监听和处理自己关心的事件,它可以拦截处理和向后/向前传播事件,不同的应用的 Handler 节点的功能也不同,通常情况下,往往会开发编解码 Hanlder 用于消息的编解码,它可以将外部的协议消息转换成内部的 POJO 对象,这样上层业务侧只需要关心处理业务逻辑即可,不需要感知底层的协议差异和线程模型差异,实现了架构层面的分层隔离。

第三层:业务逻辑处理层,可以分为两类:

1.纯粹的业务逻辑处理,例如订单处理。

2.应用层协议管理,例如HTTP协议、FTP协议等。

接下来,我从影响通信性能的三个方面(I/O模型、线程调度模型、序列化方式)来谈谈Netty的架构。

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。

Selector提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲,Selector会不断地轮询注册在其上的Channel,如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件,这个Channel就处于就绪状态,会被Selector轮询出来,然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合,进行后续的I/O操作。

线程调度模型

常用的Reactor线程模型有三种,分别如下:

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。

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。

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。

序列化方式

影响序列化性能的关键因素总结如下:

1.序列化后的码流大小(网络带宽占用)

2.序列化&反序列化的性能(CPU资源占用)

3.并发调用的性能表现:稳定性、线性增长、偶现的时延毛刺等

链路有效性检测

心跳检测机制分为三个层面:

1.TCP层面的心跳检测,即TCP的Keep-Alive机制,它的作用域是整个TCP协议栈;

2.协议层的心跳检测,主要存在于长连接协议中。例如SMPP协议;

3.应用层的心跳检测,它主要由各业务产品通过约定方式定时给对方发送心跳消息实现。

心跳检测的目的就是确认当前链路可用,对方活着并且能够正常接收和发送消息。作为高可靠的NIO框架,Netty也提供了基于链路空闲的心跳检测机制:

1.读空闲,链路持续时间t没有读取到任何消息;

2.写空闲,链路持续时间t没有发送任何消息;

3.读写空闲,链路持续时间t没有接收或者发送任何消息。

零拷贝

  • “零拷贝”是指计算机操作的过程中,CPU不需要为数据在内存之间的拷贝消耗资源。而它通常是指计算机在网络上发送文件时,不需要将文件内容拷贝到用户空间(User Space)而直接在内核空间(Kernel Space)中传输到网络的方式
  • Netty的“零拷贝”主要体现在三个方面
    • Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS,使用堆外直接内存进行Socket读写,不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存(HEAP BUFFERS)进行Socket读写,JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中,然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存,消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝
      • 读取直接从“堆外直接内存”,不像传统的堆内存和直接内存拷贝
      • ByteBufAllocator 通过ioBuffer分配堆外内存
    • Netty提供了组合Buffer对象,可以聚合多个ByteBuffer对象,用户可以像操作一个Buffer那样方便的对组合Buffer进行操作,避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer
      • Netty允许我们将多段数据合并为一整段虚拟数据供用户使用,而过程中不需要对数据进行拷贝操作
      • 组合Buffer对象,避免了内存拷贝
      • ChannelBuffer接口:Netty为需要传输的数据制定了统一的ChannelBuffer接口

·       使用getByte(int index)方法来实现随机访问

·       使用双指针的方式实现顺序访问

·       Netty主要实现了HeapChannelBuffer,ByteBufferBackedChannelBuffer,与Zero Copy直接相关的CompositeChannelBuffer类

      • CompositeChannelBuffer类
        • CompositeChannelBuffer类的作用是将多个ChannelBuffer组成一个虚拟的ChannelBuffer来进行操作
        • 为什么说是虚拟的呢,因为CompositeChannelBuffer并没有将多个ChannelBuffer真正的组合起来,而只是保存了他们的引用,这样就避免了数据的拷贝,实现了Zero Copy,内部实现
          • 其中readerIndex既读指针和writerIndex既写指针是从AbstractChannelBuffer继承而来的
          • components是一个ChannelBuffer的数组,他保存了组成这个虚拟Buffer的所有子Buffer
          • indices是一个int类型的数组,它保存的是各个Buffer的索引值
          • lastAccessedComponentId是一个int值,它记录了最后一次访问时的子Buffer ID
        • CompositeChannelBuffer实际上就是将一系列的Buffer通过数组保存起来,然后实现了ChannelBuffer 的接口,使得在上层看来,操作这些Buffer就像是操作一个单独的Buffer一样
    • Netty的文件传输采用了transferTo方法,它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel,避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题
      • Linux中的sendfile()以及Java NIO中的FileChannel.transferTo()方法都实现了零拷贝的功能,而在Netty中也通过在FileRegion中包装了NIO的FileChannel.transferTo()方法实现了零拷贝

Netty 的 Zero-copy 体现在如下几个个方面:

l  Netty 提供了 CompositeByteBuf 类, 它可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf, 避免了各个 ByteBuf 之间的拷贝。

l  通过 wrap 操作, 我们可以将byte[] 数组、ByteBuf、ByteBuffer等包装成一个 Netty ByteBuf 对象, 进而避免了拷贝操作。

l  ByteBuf 支持 slice 操作,因此可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的ByteBuf, 避免了内存的拷贝。

l  通过 FileRegion 包装的FileChannel.tranferTo 实现文件传输, 可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel, 避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题。

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