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Netty 原理
Netty 是一个高性能、异步事件驱动的 NIO 框架#xff0c;基于 JAVA NIO 提供的 API 实现。它提供了对TCP、UDP 和文件传输的支持#xff0c;作为一个异步 NIO 框架#xff0c;Netty 的所有 IO 操作都是异步非阻塞的#xff0c;通过 Future-List…Netty 与 RPC
Netty 原理
Netty 是一个高性能、异步事件驱动的 NIO 框架基于 JAVA NIO 提供的 API 实现。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。
Netty 高性能
在 IO 编程过程中当需要同时处理多个客户端接入请求时可以利用多线程或者 IO 多路复用技术进行处理。IO 多路复用技术通过把多个 IO 的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比I/O 多路复用的最大优势是系统开销小系统不需要创建新的额外进程或者线程也不需要维护这些进程和线程的运行降低了系统的维护工作量节省了系统资源。与 Socket 类和 ServerSocket 类相对应NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel
两种不同的套接字通道实现。
多路复用通讯方式
Netty 架构按照 Reactor 模式设计和实现它的服务端通信序列图如下 客户端通信序列图如下 Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器 Selector可以同时并发处理成百上千个客户端 Channel由于读写操作都是非阻塞的这就可以充分提升 IO 线程的运行效率避免由于频繁 IO 阻塞导致的线程挂起。
异步通讯 NIO
由于 Netty 采用了异步通信模式一个 IO 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作这从根本上解决了传统同步阻塞 IO 一连接一线程模型架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。
零拷贝DIRECT BUFFERS 使用堆外直接内存 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。 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
内存池基于内存池的缓冲区重用机制
随着 JVM 虚拟机和 JIT 即时编译技术的发展对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区 Buffer情况却稍有不同特别是对于堆外直接内存的分配和回收是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区Netty 提供了基于内存池的缓冲区重用机制。
高效的 Reactor 线程模型
常用的 Reactor 线程模型有三种Reactor 单线程模型, Reactor 多线程模型, 主从 Reactor 多线程模型。
Reactor 单线程模型
Reactor 单线程模型指的是所有的 IO 操作都在同一个 NIO 线程上面完成NIO 线程的职责如下
作为 NIO 服务端接收客户端的 TCP 连接作为 NIO 客户端向服务端发起 TCP 连接读取通信对端的请求或者应答消息向通信对端发送消息请求或者应答消息。 由于 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 IO所有的 IO 操作都不会导致阻塞理论上一个线程可以独立处理所有 IO 相关的操作。从架构层面看一个 NIO 线程确实可以完成其承担的职责。例如通过Acceptor 接收客户端的 TCP 连接请求消息链路建立成功之后通过 Dispatch 将对应的 ByteBuffer派发到指定的 Handler 上进行消息解码。用户 Handler 可以通过 NIO 线程将消息发送给客户端。
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 IO 操作。 有专门一个NIO 线程-Acceptor 线程用于监听服务端接收客户端的 TCP 连接请求 网络 IO 操作-读、写等由一个 NIO 线程池负责线程池可以采用标准的 JDK 线程池实现它包含一个任务队列和 N个可用的线程由这些 NIO 线程负责消息的读取、解码、编码和发送 主从 Reactor 多线程模型
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。Acceptor 接收到客户端 TCP 连接请求处理完成后可能包含接入认证等将新创建的SocketChannel 注册到 IO 线程池sub reactor 线程池的某个 IO 线程上由它负责SocketChannel 的读写和编解码工作。Acceptor 线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证一旦链路建立成功就将链路注册到后端 subReactor 线程池的 IO 线程上由 IO 线程负责后续的 IO 操作。 无锁设计、线程绑定
Netty 采用了串行无锁化设计在 IO 线程内部进行串行操作避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看串行化设计似乎 CPU 利用率不高并发程度不够。但是通过调整 NIO 线程池的线程参数可以同时启动多个串行化的线程并行运行这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。 Netty 的 NioEventLoop 读取到消息之后直接调用 ChannelPipeline 的fireChannelRead(Object msg)只要用户不主动切换线程一直会由 NioEventLoop 调用到用户的 Handler期间不进行线程切换这种串行化处理方式避免了多线程操作导致的锁的竞争从性能角度看是最优的。
高性能的序列化框架
Netty 默认提供了对 Google Protobuf 的支持通过扩展 Netty 的编解码接口用户可以实现其它的高性能序列化框架例如 Thrift 的压缩二进制编解码框架。
SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF通常建议值为 128K 或者 256K。
小包封大包防止网络阻塞
SO_TCPNODELAYNAGLE 算法通过将缓冲区内的小封包自动相连组成较大的封包阻止大量小封包的发送阻塞网络从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法。
软中断 Hash 值和 CPU 绑定
软中断开启 RPS 后可以实现软中断提升网络吞吐量。RPS 根据数据包的源地址目的地址以及目的和源端口计算出一个 hash 值然后根据这个 hash 值来选择软中断运行的 cpu从上层来看也就是说将每个连接和 cpu 绑定并通过这个 hash 值来均衡软中断在多个 cpu 上提升网络并行处理性能。
