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。
下图为 Netty 官网给出的 Netty 架构图。
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）。
063
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）：
064
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）：
065
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）：
066
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）：
068
069
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。
2.3. 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：
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：
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（图片来源于网络）：
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：
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。
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）：
3）将代码断在服务端的 NettyServerHandler.channelRead 上：
可以看到 ctx 中包含的属性如下：
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 ……