Netty学习二：Netty整体框架

一、Netty的整体结构和源码结构

1. Core层

提供底层网络通信的通用抽象和实现，包括可扩展的事件模型、通用的通信API和支持零拷贝的ByteBuf等。

common模块是Netty的核心基础包，提供丰富的工具类，其他模块都需要依赖该模块。常用的包括：通用工具类和自定义并发包
通用工具类：包括定时器工具TimerTask、时间轮HashWheelTimer等
自定义并发包：增强的FastThreadLocal等

buffer模块中，Netty自己实现的了一个更为完备的ByteBuf工具类，用作网络通信的数据载体，该类是对Java ByteBuffer的完美替代品，解决了ByteBuffer长度固定造成的内存浪费，更安全地更改了Buffer的容量。同时Netty对ByteBuf进行了很多优化，包括缓存池化、减少数据拷贝的CompositeByteBuf 等

resolver模块，提供一些有关基础设施的解析工具，包括IP Address、Hostname、DNS 等。

2. Protocal Support协议支持层

包含主流协议的编码实现，如Http、SSL、Protobuf、压缩、大文件传输、二进制等主流协议，同时支持自定义应用协议。

codec模块主要负责编解码工作，通过编解码实现原始字节数据与业务实体对象之间的相互转化。该模块包含开箱即用的编码器，包括：HTTP、HTTP2、Redis、XML等。同时该模块提供抽象编码类：ByteToMessageDecoder和ByteToMessageEncoder，通过继承这两个类可以自定义编解码器。

handler模块主要负责数据处理工作，本质上是handler的集合。该模块提供了开箱即用的ChannelHandler实现类，如：日志、IP过滤等，可以自行在pipeline中加入相应的ChannelHandler。

3. Transport Service传输服务层

提供网络传输能力的定义和实现方法，支持Socket、Http隧道、虚拟机管道等传输方式。

transport模块是Netty提供数据处理和传输的核心模块。该模块包含很多重要的接口：BootStrap、Channel、ChannelHandler、EventLoop、ChannelPipeLine等。

二、Netty的逻辑架构

Netty的逻辑架构可以分为网络通信层、事件调度层和服务编排层，每一层包含不同的核心组件，各层之间的关系如图：

1. 网络通信层

用于执行网络I/O操作，支持多种网络协议和I/O模型的连接操作。当网络数据读到内核缓冲区之后，会触发各种网络事件，这些事件灰分发给事件调度层处理。

BootStrap和BootServerStrap组件

两个组件都是辅助Netty程序的启动、初始化和服务连接。BootStrap用于客户端连接远端服务器，只绑定一个EventLoopGroup，BootServerStrap用于服务端启动绑定本地端口，分别绑定Boss和Worker两个EventLoopGroup，Boss会不停地接收新的连接，然后将连接分配给Worker处理

BootStrap是整个Netty的入口，串联了Netty所有核心组件的初始化工作。

Channel组件

网络通信的载体，提供基本的API用于网络I/O操作，包括：register、bind、connect、read、write、flush等，

以JDK Channel为基础，进行了更高层次的抽象，屏蔽了底层的Socket。

channel的生命周期包含不同的状态，每个状态会绑定相应的事件回调，对应的事件由事件调度层进行处理。

2. 事件调度层

通过Reactor线程模型对各类事件进行聚合处理，通过Selector主循环线程集成多种事件，实际的业务处理逻辑交由服务编排层的Handler完成

EventLoopGroup和EventLoop组件

EventLoopGroup、EventLoop、Channel 的几点关系：

EventLoopGroup本质是一个线程池，包含一个或多个EventLoop。EventLoop用于处理Channel声明周期内的所有I/O事件，如accept、connect、read、write等
EventLoop同一时间会与一个线程绑定，每个EventLoop负责处理多个Channel
每新建一个Channel，EventLoopGroup会选择一个EventLoop与其绑定，该Channel在生命周期内可以对EventLoop进行多次绑定和解绑

EventLoopGroup的实现类是NioEventLoopGroup，NioEventLoopGroup也是Netty中最被推荐的线程模型。NioEventLoopGroup继承自MultithreadEventLoopGroup，基于NIO模型开发

EventLoop是Netty Reactor线程模型的实际实现方法，通过不同的参数配置，可以支持三种Reactor线程模型

单线程模型：EventLoopGroup 只包含一个 EventLoop，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup；
多线程模型：EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 和 Worker 使用同一个EventLoopGroup；
注册多线程模型：EventLoopGroup 包含多个 EventLoop，Boss 是主 Reactor，Worker 是从 Reactor，它们分别使用不同的 EventLoopGroup，主 Reactor 负责新的网络连接 Channel 创建，然后把 Channel 注册到从 Reactor。

服务编排层

负责组装各类服务，是Netty的核心处理链，用以实现网络时间的动态编排和有序传播

ChannelPipeLine组件

负责编排组装各种ChannelHandler，通过双向链表将不同的ChannelHandler连接在一起。当I/O读写时间触发时，一次调用ChannelHandler列表对Channel的数据进行拦截和处理。

每一个新的Channel对应绑定一个新的ChannelPipeLine，因此ChannelPipeLine是线程安全的。一个ChannelPipeLine关联一个EventLoop，一个EventLoop绑定一个线程。

ChannelPipeline 中包含入站 ChannelInboundHandler 和出站 ChannelOutboundHandler 两种处理器。数据入站会有一系列ChannelInboundHandler 处理，再以相反的ChannelOutboundHandler 处理完后完成出站。

ChannelHandler和ChannelHandlerContext

ChannelHandler用于实际的业务处理逻辑，包括数据的编解码和其他转换工作，开发者只需要关心ChannelHandler的逻辑即可。

ChannelHandlerContext 用于保存 ChannelHandler 上下文，包含了 ChannelHandler 生命周期的所有事件，如 connect、bind、read、flush、write、close 等，可以实现ChannelHandler之间的交互。

每创建一个Channel就会绑定一个新的ChannelPipeLine，ChannelPipeLine每加入一个ChannelHandler都会绑定一个ChannelHandlerContext。

组件关系梳理

服务端启动初始化时有 Boss EventLoopGroup 和 Worker EventLoopGroup 两个组件，其中 Boss 负责监听网络连接事件。当有新的网络连接事件到达时，则将 Channel 注册到 Worker EventLoopGroup。
Worker EventLoopGroup 会被分配一个 EventLoop 负责处理该 Channel 的读写事件。每个 EventLoop 都是单线程的，通过 Selector 进行事件循环。
当客户端发起 I/O 读写事件时，服务端 EventLoop 会进行数据的读取，然后通过 Pipeline 触发各种监听器进行数据的加工处理。
客户端数据会被传递到 ChannelPipeline 的第一个 ChannelInboundHandler 中，数据处理完成后，将加工完成的数据传递给下一个 ChannelInboundHandler。
当数据写回客户端时，会将处理结果在 ChannelPipeline 的 ChannelOutboundHandler 中传播，最后到达客户端。
以上便是 Netty 各个组件的整体交互流程，你只需要对每个组件的工作职责有所了解，心中可以串成一条流水线即可，具体每个组件的实现原理后续课程我们会深入介绍。