Netty之工作原理

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：

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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：

• 纯粹的业务逻辑处理，例如订单处理。
• 应用层协议管理，例如HTTP协议、FTP协议等。

2.1 Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

2.2 Future、ChannelFuture

正如前面介绍，在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。

但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

2.3 Channel

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

• 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
• 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
• 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。
• 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。下面是一些常用的 Channel 类型：

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

2.4 Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

2.5 NioEventLoop

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：

• I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。
• 非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制，默认为 50，则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。

2.6 NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程。

2.7 ChannelHandler

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

• ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
• ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

2.8 ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。

2.9 ChannelPipline

保存ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明，描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。

I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理，并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。

例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRead(Object)和ChannelOutboundInvoker.write(Object)转发到其最近的处理程序。

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入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。

通常通过实际输入操作（例如SocketChannel.read(ByteBuffer)）从远程读取入站数据。

出站事件由上而下方向处理，如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输，例如 write 请求。

I/O 线程通常执行实际的输出操作，例如 SocketChannel.write(ByteBuffer)。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下：

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一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。

入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰。

初始化并启动 Netty 服务端示例代码如下：

public static void main(String[] args) { // 创建mainReactor NioEventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); // 创建工作线程组 NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap(); serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) // 组装NioEventLoopGroup .channel(NioServerSocketChannel.class) // 设置channel类型为NIO类型 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)// 设置连接配置参数 .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true) .childHandler(new ChannelInitializer() {// 配置入站、出站事件handler @Override protected void initChannel (NioSocketChannel ch) { // 配置入站、出站事件channel ch.pipeline().addLast(...); ch.pipeline().addLast(...); } }); // 绑定端口 int port = 8080; serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> { if (future.isSuccess()) { System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!"); } else { System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!"); } }); }

虽然 Netty 的线程模型基于主从 Reactor 多线程，借用了 MainReactor 和 SubReactor 的结构。但是实际实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中。bossGroup 线程池则只是在 Bind 某个端口后，获得其中一个线程作为 MainReactor，专门处理端口的 Accept 事件，每个端口对应一个 Boss 线程。workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充分利用。

基本过程如下：

• 初始化创建 2 个 NioEventLoopGroup，其中bossGroup 用于 Accetpt 连接建立事件并分发请求，workerGroup 用于处理 I/O 读写事件和业务逻辑。
• 基于 ServerBootstrap(服务端启动引导类)，配置 EventLoopGroup、Channel 类型，连接参数、配置入站、出站事件 handler。
• 绑定端口，开始工作。

结合上面介绍的 Netty Reactor 模型，介绍服务端 Netty 的工作架构图：

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Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup。

NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组，这个组里包含多个事件循环 NioEventLoop，每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。

每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

• 轮询 Accept 事件
• 处理 Accept I/O 事件，与 Client 建立连接，生成 NioSocketChannel，并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上
• 处理任务队列中的任务，任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务，或者其他线程提交到该 eventloop 的任务

每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：

• 轮询 Read、Write 事件
• 处理 I/O 事件，即 Read、Write 事件，在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理
• 处理任务队列中的任务

其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景：

• 用户程序自定义的普通任务

ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() { @Override public void run () { //... } });

• 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法

例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。

• 用户自定义定时任务

ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() { @Override public void run () { } }, 60, TimeUnit.SECONDS);