Netty实现原理浅析

最新推荐文章于 2018-01-30 18:11:00 发布

转载最新推荐文章于 2018-01-30 18:11:00 发布 · 582 阅读

Netty 专栏收录该内容

8 篇文章

订阅专栏

一、总体结构

二、网络模型

Netty是典型的Reactor模型结构，关于Reactor的详尽阐释，可参考POSA2。Reactor模式的典型实现：

1、这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手，负责多路分离套接字，Accept新连接，并分派请求到处理器链中。该模型适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过，这种单线程模型不能充分利用多核资源，所以实际适用的不多。

2、相比上一种模型，该模型在处理器链部分才用了多线程（线程池），也是后端程序常用的模型。

3、第三种模型比起第二种模型，是将Reactor分成两部分，mainReactor负责监听server socket，accept新连接，并将建立的socket分派给subReactor。subReactor负责多路分离已连接的socket，读写网络数据，对业务处理功能，其扔给worker线程池完成。通常，subReactor个数上可与CPU个数等同。

说完Reactor模型的三种形式，那么Netty是哪种呢？其实，还有一种Reactor模型的变种没说，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。在实现上，Netty中的Boss类充当mainReactor，NioWorker类充当subReactor（默认NioWorker的个数是Runtime.getRuntime().availableProcessors()）。在处理新来的请求时，NioWorker读完已收到的数据到ChannelBuffer中，之后触发ChannelPipeline中的ChannelHandler流。

Netty是事件驱动的，可以通过ChannelHandler链来控制执行流向。因为ChannelHandler链的执行过程是在subReactor中同步的，所以如果业务处理handler耗时长，将严重影响可支持的并发数。这种模型适合于像Memcache这样的应用场景，但对需要操作数据库或者和其他模块阻塞交互的系统就不是很合适。Netty的可扩展性非常好，而像ChannelHandler线程池化的需要，可以通过在ChannelPipeline中添加Netty内置的ChannelHandler实现类-ExecutionHandler实现，对使用者来说只是添加一行代码而已。对于ExecutionHandler需要的线程池模型，Netty提供了两种可选：1）MemoryAwareThreadPoolExecutor可控制Executor中待处理任务的上限（超过上限时，后续进来的任务被阻塞），并可控制单个Channel待处理任务的上限；2）OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是 MemoryAwareThreadPoolExecutor 的子类，它还可以保证同一Channel中处理的事件流的顺序性，这主要是控制事件在异步处理模式下可能出现的错误的事件顺序，但它并不保证同一Channel中的事件都在一个线程中执行（通常也没必要）。一般来说，OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是个很不错的选择，当然，如果有需要，也可以DIY一个。

四、buffer

org.jboss.netty.buffer包的接口及类的结构图如下：

该包核心的接口是ChannelBuffer和ChannelBufferFactory,下面予以简要的介绍。

Netty使用ChannelBuffer来存储并操作读写的网络数据。ChannelBuffer除了提供和ByteBuffer类似的方法，还提供了一些实用方法，具体可参考其API文档。ChannelBuffer的实现类有多个，这里列举其中主要的几个：

1）HeapChannelBuffer：这是Netty读网络数据时默认使用的ChannelBuffer，这里的Heap就是Java堆的意思，因为读SocketChannel的数据是要经过ByteBuffer的，而ByteBuffer实际操作的就是个byte数组，所以 ChannelBuffer的内部就包含了一个byte数组，使得ByteBuffer和ChannelBuffer之间的转换是零拷贝方式。根据网络字节续的不同，HeapChannelBuffer又分为BigEndianHeapChannelBuffer和 LittleEndianHeapChannelBuffer，默认使用的是BigEndianHeapChannelBuffer。Netty在读网络数据时使用的就是HeapChannelBuffer，HeapChannelBuffer是个大小固定的buffer，为了不至于分配的Buffer的大小不太合适，Netty在分配Buffer时会参考上次请求需要的大小。

2）DynamicChannelBuffer：相比于HeapChannelBuffer，DynamicChannelBuffer可动态自适应大小。对于在DecodeHandler中的写数据操作，在数据大小未知的情况下，通常使用DynamicChannelBuffer。

3）ByteBufferBackedChannelBuffer：这是directBuffer，直接封装了ByteBuffer的 directBuffer。

对于读写网络数据的buffer，分配策略有两种：1）通常出于简单考虑，直接分配固定大小的buffer，缺点是，对一些应用来说这个大小限制有时是不合理的，并且如果buffer的上限很大也会有内存上的浪费。2）针对固定大小的buffer缺点，就引入动态buffer，动态buffer之于固定 buffer相当于List之于Array。

buffer的寄存策略常见的也有两种（其实是我知道的就限于此）：1）在多线程（线程池）模型下，每个线程维护自己的读写buffer，每次处理新的请求前清空buffer（或者在处理结束后清空），该请求的读写操作都需要在该线程中完成。 2）buffer和socket绑定而与线程无关。两种方法的目的都是为了重用buffer。

Netty对buffer的处理策略是：读请求数据时，Netty首先读数据到新创建的固定大小的HeapChannelBuffer中，当HeapChannelBuffer满或者没有数据可读时，调用handler来处理数据，这通常首先触发的是用户自定义的DecodeHandler，因为handler对象是和ChannelSocket 绑定的，所以在DecodeHandler里可以设置ChannelBuffer成员，当解析数据包发现数据不完整时就终止此次处理流程，等下次读事件触发时接着上次的数据继续解析。就这个过程来说，和ChannelSocket绑定的DecodeHandler中的Buffer通常是动态的可重用 Buffer（DynamicChannelBuffer），而在NioWorker中读ChannelSocket中的数据的buffer是临时分配的固定大小的HeapChannelBuffer，这个转换过程是有个字节拷贝行为的。

对ChannelBuffer的创建，Netty内部使用的是ChannelBufferFactory接口，具体的实现有 DirectChannelBufferFactory和HeapChannelBufferFactory。对于开发者创建 ChannelBuffer，可使用实用类ChannelBuffers中的工厂方法。

四、Channel

和Channel相关的接口及类结构图如下：

五、ChannelEvent

如前所述，Netty是事件驱动的，其通过ChannelEvent来确定事件流的方向。一个ChannelEvent是依附于Channel的 ChannelPipeline来处理，并由ChannelPipeline调用ChannelHandler来做具体的处理。下面是和 ChannelEvent相关的接口及类图：

对于使用者来说，在ChannelHandler实现类中会使用继承于ChannelEvent的MessageEvent，调用其 getMessage()方法来获得读到的ChannelBuffer或被转化的对象。

六、ChannelPipeline

Netty 在事件处理上，是通过ChannelPipeline来控制事件流，通过调用注册其上的一系列ChannelHandler来处理事件，这也是典型的拦截器模式。下面是和ChannelPipeline相关的接口及类图：

事件流有两种，upstream事件和downstream事件。在ChannelPipeline中，其可被注册的ChannelHandler既可以是 ChannelUpstreamHandler 也可以是ChannelDownstreamHandler ，但事件在ChannelPipeline传递过程中只会调用匹配流的ChannelHandler。在事件流的过滤器链中，ChannelUpstreamHandler或ChannelDownstreamHandler既可以终止流程，也可以通过调用 ChannelHandlerContext.sendUpstream(ChannelEvent)或 ChannelHandlerContext.sendDownstream(ChannelEvent)将事件传递下去。下面是事件流处理的图示：

从上图可见，upstream event是被Upstream Handler们自底向上逐个处理，downstream event是被Downstream Handler们自顶向下逐个处理，这里的上下关系就是向ChannelPipeline里添加Handler的先后顺序关系。简单的理解，upstream event是处理来自外部的请求的过程，而downstream event是处理向外发送请求的过程。

服务端处理请求的过程通常就是解码请求、业务逻辑处理、编码响应，构建的ChannelPipeline也就类似下面的代码片断：

ChannelPipeline pipeline = Channels.pipeline();
pipeline.addLast("decoder", new MyProtocolDecoder());
pipeline.addLast("encoder", new MyProtocolEncoder());

pipeline.addLast("handler", new MyBusinessLogicHandler());

其中，MyProtocolDecoder是ChannelUpstreamHandler类型，MyProtocolEncoder是 ChannelDownstreamHandler类型，MyBusinessLogicHandler既可以是 ChannelUpstreamHandler类型，也可兼ChannelDownstreamHandler类型，视其是服务端程序还是客户端程序以及应用需要而定。

补充一点，Netty对抽象和实现做了很好的解耦。像org.jboss.netty.channel.socket包，定义了一些和socket处理相关的接口，而org.jboss.netty.channel.socket.nio、 org.jboss.netty.channel.socket.oio等包，则是和协议相关的实现。

七、编码框架

对于请求协议的编码解码，当然是可以按照协议格式自己操作ChannelBuffer中的字节数据。另一方面，Netty也做了几个很实用的codec helper，这里给出简单的介绍。

1）FrameDecoder：FrameDecoder内部维护了一个 DynamicChannelBuffer成员来存储接收到的数据，它就像个抽象模板，把整个解码过程模板写好了，其子类只需实现decode函数即可。 FrameDecoder的直接实现类有两个：（1）DelimiterBasedFrameDecoder是基于分割符（比如\r\n）的解码器，可在构造函数中指定分割符。（2）LengthFieldBasedFrameDecoder是基于长度字段的解码器。如果协议格式类似“内容长度”+内容、“固定头”+“内容长度”+动态内容这样的格式，就可以使用该解码器，其使用方法在API DOC上详尽的解释。
2）ReplayingDecoder：它是FrameDecoder的一个变种子类，它相对于FrameDecoder是非阻塞解码。也就是说，使用 FrameDecoder时需要考虑到读到的数据有可能是不完整的，而使用ReplayingDecoder就可以假定读到了全部的数据。
3）ObjectEncoder 和ObjectDecoder：编码解码序列化的Java对象。
4）HttpRequestEncoder和 HttpRequestDecoder：http协议处理。

下面来看使用FrameDecoder和ReplayingDecoder的两个例子：

public class IntegerHeaderFrameDecoder extends FrameDecoder {
    protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, Channel channel,
            ChannelBuffer buf) throws Exception {
        if (buf.readableBytes() < 4) {
            return null;
        }
        buf.markReaderIndex();
        int length = buf.readInt();
        if (buf.readableBytes() < length) {
            buf.resetReaderIndex();
            return null;
        }
        return buf.readBytes(length);
    }
}

而使用ReplayingDecoder的解码片断类似下面的，相对来说会简化很多。

public class IntegerHeaderFrameDecoder2 extends ReplayingDecoder {
    protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, Channel channel,
            ChannelBuffer buf, VoidEnum state) throws Exception {
        return buf.readBytes(buf.readInt());
    }
}

就实现来说，当在ReplayingDecoder子类的decode函数中调用ChannelBuffer读数据时，如果读失败，那么 ReplayingDecoder就会catch住其抛出的Error，然后ReplayingDecoder接手控制权，等待下一次读到后续的数据后继续decode。