Part1Netty到底是什么

1、從HTTP說起

有了Netty，你可以實(shí)現(xiàn)自己的HTTP服務(wù)器，F(xiàn)TP服務(wù)器，UDP服務(wù)器，RPC服務(wù)器，WebSocket服務(wù)器，Redis的Proxy服務(wù)器，MySQL的Proxy服務(wù)器等等。

我們回顧一下傳統(tǒng)的HTTP服務(wù)器的原理：

1. 創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket，監(jiān)聽并綁定一個(gè)端口
2. 一系列客戶端來請(qǐng)求這個(gè)端口
3. 服務(wù)器使用Accept，獲得一個(gè)來自客戶端的Socket連接對(duì)象
4. 啟動(dòng)一個(gè)新線程處理連接

• 4.1、讀Socket，得到字節(jié)流
• 4.2、解碼協(xié)議，得到Http請(qǐng)求對(duì)象
• 4.3、處理Http請(qǐng)求，得到一個(gè)結(jié)果，封裝成一個(gè)HttpResponse對(duì)象
• 4.4、編碼協(xié)議，將結(jié)果序列化字節(jié)流 寫Socket，將字節(jié)流發(fā)給客戶端

5. 繼續(xù)循環(huán)步驟3

HTTP服務(wù)器之所以稱為HTTP服務(wù)器，是因?yàn)榫幋a解碼協(xié)議是HTTP協(xié)議，如果協(xié)議是Redis協(xié)議，那它就成了Redis服務(wù)器，如果協(xié)議是WebSocket，那它就成了WebSocket服務(wù)器，等等。使用Netty你就可以定制編解碼協(xié)議，實(shí)現(xiàn)自己的特定協(xié)議的服務(wù)器。

2、NIO

上面是一個(gè)傳統(tǒng)處理http的服務(wù)器，但是在高并發(fā)的環(huán)境下，線程數(shù)量會(huì)比較多，System load也會(huì)比較高，于是就有了NIO。

他并不是Java獨(dú)有的概念，NIO代表的一個(gè)詞匯叫著IO多路復(fù)用。它是由操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用，早期這個(gè)操作系統(tǒng)調(diào)用的名字是select，但是性能低下，后來漸漸演化成了Linux下的epoll和Mac里的kqueue。我們一般就說是epoll，因?yàn)闆]有人拿蘋果電腦作為服務(wù)器使用對(duì)外提供服務(wù)。而Netty就是基于Java NIO技術(shù)封裝的一套框架。為什么要封裝，因?yàn)樵腏ava NIO使用起來沒那么方便，而且還有臭名昭著的bug，Netty把它封裝之后，提供了一個(gè)易于操作的使用模式和接口，用戶使用起來也就便捷多了。

說NIO之前先說一下BIO（Blocking IO）,如何理解這個(gè)Blocking呢？

客戶端監(jiān)聽（Listen）時(shí)，Accept是阻塞的，只有新連接來了，Accept才會(huì)返回，主線程才能繼;

讀寫socket時(shí)，Read是阻塞的，只有請(qǐng)求消息來了，Read才能返回，子線程才能繼續(xù)處理;

讀寫socket時(shí)，Write是阻塞的，只有客戶端把消息收了，Write才能返回，子線程才能繼續(xù)讀取下一個(gè)請(qǐng)求;

傳統(tǒng)的BIO模式下，從頭到尾的所有線程都是阻塞的，這些線程就干等著，占用系統(tǒng)的資源，什么事也不干。

那么NIO是怎么做到非阻塞的呢。它用的是事件機(jī)制。它可以用一個(gè)線程把Accept，讀寫操作，請(qǐng)求處理的邏輯全干了。如果什么事都沒得做，它也不會(huì)死循環(huán)，它會(huì)將線程休眠起來，直到下一個(gè)事件來了再繼續(xù)干活，這樣的一個(gè)線程稱之為NIO線程。用偽代碼表示：

Part2Reactor線程模型

1、Reactor單線程模型

一個(gè)NIO線程+一個(gè)accept線程：

2、Reactor多線程模型

3、Reactor主從模型

主從Reactor多線程：多個(gè)acceptor的NIO線程池用于接受客戶端的連接

Netty可以基于如上三種模型進(jìn)行靈活的配置。

4、小結(jié)

Netty是建立在NIO基礎(chǔ)之上，Netty在NIO之上又提供了更高層次的抽象。

在Netty里面，Accept連接可以使用單獨(dú)的線程池去處理，讀寫操作又是另外的線程池來處理。

Accept連接和讀寫操作也可以使用同一個(gè)線程池來進(jìn)行處理。而請(qǐng)求處理邏輯既可以使用單獨(dú)的線程池進(jìn)行處理，也可以跟放在讀寫線程一塊處理。線程池中的每一個(gè)線程都是NIO線程。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行組裝，構(gòu)造出滿足系統(tǒng)需求的高性能并發(fā)模型。

Part3為什么選擇Netty

如果不用netty，使用原生JDK的話，有如下問題：

1. API復(fù)雜
2. 對(duì)多線程很熟悉：因?yàn)镹IO涉及到Reactor模式
3. 高可用的話：需要出路斷連重連、半包讀寫、失敗緩存等問題
4. JDK NIO的bug

而Netty來說，他的api簡(jiǎn)單、性能高而且社區(qū)活躍（dubbo、rocketmq等都使用了它）

Part4什么是TCP 粘包/拆包

1、現(xiàn)象

先看如下代碼，這個(gè)代碼是使用netty在client端重復(fù)寫100次數(shù)據(jù)給server端，ByteBuf是netty的一個(gè)字節(jié)容器，里面存放是的需要發(fā)送的數(shù)據(jù):

從client端讀取到的數(shù)據(jù)為：

從服務(wù)端的控制臺(tái)輸出可以看出，存在三種類型的輸出

一種是正常的字符串輸出。

一種是多個(gè)字符串“粘”在了一起，我們定義這種 ByteBuf 為粘包。

一種是一個(gè)字符串被“拆”開，形成一個(gè)破碎的包，我們定義這種 ByteBuf 為半包。

2、透過現(xiàn)象分析原因

應(yīng)用層面使用了Netty，但是對(duì)于操作系統(tǒng)來說，只認(rèn)TCP協(xié)議，盡管我們的應(yīng)用層是按照 ByteBuf 為 單位來發(fā)送數(shù)據(jù)，server按照Bytebuf讀取，但是到了底層操作系統(tǒng)仍然是按照字節(jié)流發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)到了服務(wù)端，也是按照字節(jié)流的方式讀入，然后到了 Netty 應(yīng)用層面，重新拼裝成 ByteBuf，而這里的 ByteBuf 與客戶端按順序發(fā)送的 ByteBuf 可能是不對(duì)等的。因此，我們需要在客戶端根據(jù)自定義協(xié)議來組裝我們應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包，然后在服務(wù)端根據(jù)我們的應(yīng)用層的協(xié)議來組裝數(shù)據(jù)包，這個(gè)過程通常在服務(wù)端稱為拆包，而在客戶端稱為粘包。

拆包和粘包是相對(duì)的，一端粘了包，另外一端就需要將粘過的包拆開，發(fā)送端將三個(gè)數(shù)據(jù)包粘成兩個(gè) TCP 數(shù)據(jù)包發(fā)送到接收端，接收端就需要根據(jù)應(yīng)用協(xié)議將兩個(gè)數(shù)據(jù)包重新組裝成三個(gè)數(shù)據(jù)包。

3、如何解決

在沒有 Netty 的情況下，用戶如果自己需要拆包，基本原理就是不斷從 TCP 緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，每次讀取完都需要判斷是否是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包 如果當(dāng)前讀取的數(shù)據(jù)不足以拼接成一個(gè)完整的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，那就保留該數(shù)據(jù)，繼續(xù)從 TCP 緩沖區(qū)中讀取，直到得到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。如果當(dāng)前讀到的數(shù)據(jù)加上已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)足夠拼接成一個(gè)數(shù)據(jù)包，那就將已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)拼接上本次讀取的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個(gè)完整的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳遞到業(yè)務(wù)邏輯，多余的數(shù)據(jù)仍然保留，以便和下次讀到的數(shù)據(jù)嘗試拼接。

而在Netty中，已經(jīng)造好了許多類型的拆包器，我們直接用就好：

選好拆包器后，在代碼中client段和server端將拆包器加入到chanelPipeline之中就好了:

如上實(shí)例中：

客戶端：

服務(wù)端：

Part5Netty 的零拷貝

1、傳統(tǒng)意義的拷貝

是在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是：

1. File.read(bytes)
2. Socket.send(bytes)

這種方式需要四次數(shù)據(jù)拷貝和四次上下文切換：

1. 數(shù)據(jù)從磁盤讀取到內(nèi)核的read buffer
2. 數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶緩沖區(qū)
3. 數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)拷貝到內(nèi)核的socket buffer
4. 數(shù)據(jù)從內(nèi)核的socket buffer拷貝到網(wǎng)卡接口（硬件）的緩沖區(qū)

2、零拷貝的概念

明顯上面的第二步和第三步是沒有必要的，通過java的FileChannel.transferTo方法，可以避免上面兩次多余的拷貝（當(dāng)然這需要底層操作系統(tǒng)支持）

1. 調(diào)用transferTo,數(shù)據(jù)從文件由DMA引擎拷貝到內(nèi)核read buffer
2. 接著DMA從內(nèi)核read buffer將數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡接口buffer

上面的兩次操作都不需要CPU參與，所以就達(dá)到了零拷貝。

3、Netty中的零拷貝

主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

1. bytebuffer

Netty發(fā)送和接收消息主要使用bytebuffer，bytebuffer使用對(duì)外內(nèi)存（DirectMemory）直接進(jìn)行Socket讀寫。

原因：如果使用傳統(tǒng)的堆內(nèi)存進(jìn)行Socket讀寫，JVM會(huì)將堆內(nèi)存buffer拷貝一份到直接內(nèi)存中然后再寫入socket，多了一次緩沖區(qū)的內(nèi)存拷貝。DirectMemory中可以直接通過DMA發(fā)送到網(wǎng)卡接口

2. Composite Buffers

傳統(tǒng)的ByteBuffer，如果需要將兩個(gè)ByteBuffer中的數(shù)據(jù)組合到一起，我們需要首先創(chuàng)建一個(gè)size=size1+size2大小的新的數(shù)組，然后將兩個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)拷貝到新的數(shù)組中。但是使用Netty提供的組合ByteBuf，就可以避免這樣的操作，因?yàn)镃ompositeByteBuf并沒有真正將多個(gè)Buffer組合起來，而是保存了它們的引用，從而避免了數(shù)據(jù)的拷貝，實(shí)現(xiàn)了零拷貝。

3. 對(duì)于FileChannel.transferTo的使用

Netty中使用了FileChannel的transferTo方法，該方法依賴于操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零拷貝.

Part6Netty 內(nèi)部執(zhí)行流程

1、服務(wù)端：

1. 創(chuàng)建ServerBootStrap實(shí)例
2. 設(shè)置并綁定Reactor線程池：EventLoopGroup，EventLoop就是處理所有注冊(cè)到本線程的Selector上面的Channel
3. 設(shè)置并綁定服務(wù)端的channel
4. 5、創(chuàng)建處理網(wǎng)絡(luò)事件的ChannelPipeline和handler，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間以流的形式在其中流轉(zhuǎn)，handler完成多數(shù)的功能定制：比如編解碼 SSl安全認(rèn)證
5. 綁定并啟動(dòng)監(jiān)聽端口
6. 當(dāng)輪訓(xùn)到準(zhǔn)備就緒的channel后，由Reactor線程：NioEventLoop執(zhí)行pipline中的方法，最終調(diào)度并執(zhí)行channelHandler
7. 客戶端