文章目录

1 Netty线程模型
- 1.1 传统阻塞 I/O 服务模型
- 1.2 Reactor线程模型
- - 1.2.1 单 Reactor 单线程模型
  - 1.2.2 单Reactor多线程
  - 1.2.3 主从 Reactor 多线程
  - 1.2.4 Reactor线程模型小结
- 1.3 Netty线程模型
- - 1.3.1 简单版Netty模型
  - 1.3.2 进阶版Netty模型
  - 1.3.3 详细版Netty模型
2 Netty快速入门案例-TCP服务
- 2.1 服务端代码实现
- 2.2 客户端代码实现
3 Netty任务队列
- 3.1 用户自定义的普通任务
- 3.2 用户自定义定时任务

1 Netty线程模型

不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，在学习Netty线程模式之前，首先需要了解下各个线程模式，最后看看 Netty 线程模型有什么优越性。目前存在的线程模型有：

传统阻塞 I/O 服务模型
Reactor 模式
- Reactor 单线程；
- 单 Reactor多线程；
- 主从 Reactor多线程

1.1 传统阻塞 I/O 服务模型

模型特点
- 采用阻塞 IO 模式获取输入的数据
- 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理，数据返回
存在问题
- 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源
- 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在 read 操作，造成线程资源浪费

1.2 Reactor线程模型

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：

基于 I/O 复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在一个阻塞对象等待，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理
基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。

IO复用结合线程池，就是Reactor模式的基本设计思想。

Reactor 模式中核心组成

Reactor：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；
Handlers：处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

1.2.1 单 Reactor 单线程模型

处理流程
1. Selector是可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求；
2. Reactor 对象通过 Selector监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发；
3. 建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理 ；
4. Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程。
优缺点
- 优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成
- 缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈
- 缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障
  使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

1.2.2 单Reactor多线程

处理流程
1. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后，通过 Dispatch 进行分发
2. 如果建立连接请求，则右 Acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
3. 如果不是连接请求，则由 Reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
4. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理，通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务
5. worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler
6. handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client
优缺点
- 优点：可以充分的利用多核 cpu 的处理能力
- 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂，Reactor 处理所有的事件的监听和响应，在单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈。

1.2.3 主从 Reactor 多线程

处理流程
1. Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件，收到事件后，通过 Acceptor 处理连接事件
2. 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor
3. subreactor 将连接加入到连接队列进行监听，并创建 handler 进行各种事件处理
4. 当有新事件发生时，subreactor 就会调用对应的 handler 处理
5. handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理
6. worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果
7. handler 收到响应的结果后，再通过 send 将结果返回给 client
8. Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程，即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

1.2.4 Reactor线程模型小结

3中线程模型生活场景类比
- 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服务
- 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待
- 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生
Reactor 模式具有如下的优点

响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的
可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

1.3 Netty线程模型

Netty 的设计主要基于主从 Reactor 多线程模式，并做了一定的改进。

1.3.1 简单版Netty模型

BossGroup 线程维护 Selector，只关注 Accecpt
当接收到 Accept 事件，获取到对应的 SocketChannel，封装成 NIOScoketChannel 并注册到 Worker 线程（事件循环），并进行维护
当 Worker 线程监听到 Selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理（就由 handler），注意 handler 已经加入到通道

1.3.2 进阶版Netty模型

有两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写，BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup;
BossGroup 和 WorkerGroup 含有多个不断循环的执行事件处理的线程，每个线程都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Channel；
每个 BossGroup 中的线程循环执行以下三个步骤
- 轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）
- 处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到 WorkerGroup 中某个线程上的 Selector 上
- 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个 WorkerGroup 中的线程循环执行以下三个步骤
- 轮询 read，write 事件
- 处理 I/O 事件，即 read，write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
- 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个 Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用 pipeline，pipeline 中包含了 channel，即通过 pipeline 可以获取到对应通道，管道中维护了很多的处理器

1.3.3 详细版Netty模型

Netty 抽象出两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup。每个线程池中都有 NioEventLoop 线程。BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。BossGroup 和 WorkerGroup 的类型都是 NioEventLoopGroup
NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每个事件循环就是一个 NioEventLoo
NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 Selector，用于监听绑定在其上的 socket 的网络通讯
NioEventLoopGroup 可以有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop
每个 BossNioEventLoop 循环执行的步骤有 3 步：
- 轮询 accept 事件
- 处理 accept 事件，与 client 建立连接，生成 NioScocketChannel，并将其注册到某个 worker NIOEventLoop 上的 Selector
- 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
每个 WorkerNIOEventLoop 循环执行的步骤：
- 轮询 read，write 事件
- 处理 I/O 事件，即 read，write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
- 处理任务队列的任务，即 runAllTasks
在以上两个processSelectedKeys步骤中，会使用 Pipeline（管道），Pipeline 中引用了 Channel，即通过 Pipeline 可以获取到对应的 Channel，Pipeline 中维护了很多的处理器（拦截处理器、过滤处理器、自定义处理器等）。

2 Netty快速入门案例-TCP服务

2.1 服务端代码实现

package com.warybee.simple;import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;/*** @description  Netty开发一个服务端*/
public class NettyServer {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//1.创建bossGroup线程组: 处理网络连接事件 线程数默认为: 2 * 处理器线程数EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();//2.创建workerGroup线程组: 处理网络事件--读写事件 2 * 处理器线程数EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();try {//3.创建服务端启动助手ServerBootstrap bootstrap=new ServerBootstrap();//4.设置线程组bootstrap.group(bossGroup,workerGroup)//5.设置服务端通道实现.channel(NioServerSocketChannel.class)//6.参数设置-设置线程队列中等待连接个数.option(ChannelOption.SO_BACKLOG,128)//7.参数设置-设置活跃状态,child是设置workerGroup.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true)8.创建一个通道初始化对象.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {//9.向pipeline中添加自定义业务处理handlerch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());}});System.out.println("服务端就绪");//10.启动服务端并绑定端口,同时将异步改为同步ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(9999).sync();//11.关闭通道(并不是真正意义上的关闭,而是监听通道关闭状态)和关闭连接池channelFuture.channel().closeFuture().sync();}finally {bossGroup.shutdownGracefully();workerGroup.shutdownGracefully();}}
}

Netty服务端自定义Handler

package com.warybee.simple;import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.*;import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.charset.StandardCharsets;/*** @description 自定义服务端handle*/
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {/*** 读取客户端消息* @param ctx* @param msg* @throws Exception*/@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {System.out.println("server ctx："+ctx);ByteBuf byteBuffer=(ByteBuf)msg;Channel channel = ctx.channel();ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline();System.out.println("客户端发送的消息是："+byteBuffer.toString(StandardCharsets.UTF_8));System.out.println("客户端地址："+ctx.channel().remoteAddress());}/*** 数据读取完成* @param ctx* @throws Exception*/@Overridepublic void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {//发送消息给客户端ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 客户端",StandardCharsets.UTF_8));}/*** 通道就绪* @param ctx* @throws Exception*/@Overridepublic void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {super.channelActive(ctx);}/*** 异常* @param ctx* @param cause* @throws Exception*/@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {ctx.close();}
}

2.2 客户端代码实现

package com.warybee.simple;import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;/*** @description*/
public class NettyClient {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//创建线程组EventLoopGroup eventExecutors = new NioEventLoopGroup();try {//创建客户端启动助手Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();bootstrap.group(eventExecutors).channel(NioSocketChannel.class).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());}});//启动客户端, 等待连接服务端,ChannelFuture cf = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9999).sync();//关闭通道和关闭连接池cf.channel().closeFuture().sync();}finally {eventExecutors.shutdownGracefully();}}
}

Netty客户端自定义Handler

package com.warybee.simple;import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;import java.nio.charset.StandardCharsets;/*** @description Netty客户端自定义Handler*/
public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {/*** 通道就绪* @param ctx* @throws Exception*/@Overridepublic void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {System.out.println("client "+ctx);ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 服务端", StandardCharsets.UTF_8));}@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {ByteBuf byteBuf=(ByteBuf) msg;System.out.println("服务端回复的消息:"+byteBuf.toString(StandardCharsets.UTF_8));System.out.println("服务器地址："+ctx.channel().remoteAddress());}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {cause.printStackTrace();ctx.close();}
}

3 Netty任务队列

在使用Netty的时候，我们的业务处理都是放到我们自定义的handler里面，那么如果handler里面有一些执行比较耗时的操作的话，依旧会出现线程阻塞的情况，那么怎么来处理呢？

我们可以回过头去看看Netty的模型图，里面有一块是TaskQueue，这个就是Netty提供给我们的任务队列，可以用来异步处理任务，它是和channel是一一绑定的。

3.1 用户自定义的普通任务

在定义Handler里面通过ChannelHandlerContext 获取channel

/*** 通道就绪* @param ctx* @throws Exception*/
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {//TODO 这里可以执行耗时任务ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端", StandardCharsets.UTF_8));}});System.out.println("client "+ctx);ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 服务端", StandardCharsets.UTF_8));
}

3.2 用户自定义定时任务

任务是提交到 scheduleTaskQueue中

/*** 通道就绪* @param ctx* @throws Exception*/
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {//用户自定义定时任务，5秒后执行ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {//TODO 这里可以执行耗时任务ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 客户端", CharsetUtil.UTF_8));System.out.println("channel code=" + ctx.channel().hashCode());} catch (Exception ex) {System.out.println("发生异常" + ex.getMessage());}}}, 5, TimeUnit.SECONDS);
}

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