Netty学习一：基本知识

1. Netty基础知识

1.1 Netty出现的原因

  • Java NIO 太难用，存在BUG（如Epoll-Bug）
  • 基于第一点，大多数高性能服务器被C和C++盘踞
  • 同样基于第一点，Java NIO编程门槛高
  • 业界其他的NIO框架不成熟

1.2 Netty

Netty是由JBOSS提供的一个Java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

也就是说，Netty 是一个基于NIO的客户、服务器端编程框架，使用Netty 可以确保你快速和简单的开发出一个网络应用，例如实现了某种协议的客户，服务端应用。Netty相当简化和流线化了网络应用的编程开发过程，例如，TCP和UDP的socket服务开发。

“快速”和“简单”并不意味着会让你的最终应用产生维护性或性能上的问题。Netty 是一个吸收了多种协议的实现经验，这些协议包括FTP,SMTP,HTTP，各种二进制，文本协议，并经过相当精心设计的项目，最终，Netty 成功的找到了一种方式，在保证易于开发的同时还保证了其应用的性能，稳定性和伸缩性.

1.3 特性

1.3.1 设计

  • 统一的API，适用于不同的协议（阻塞和非阻塞）
  • 基于灵活、可扩展的事件驱动模型
  • 高度可定制的线程模型
  • 可靠的无连接数据Socket支持（UDP）

1.3.2 性能

  • 更好的吞吐量，低延迟
  • 更省资源
  • 尽量减少不必要的内存拷贝

1.3.3 安全

  • 完整的SSL/TLS和STARTTLS的支持
  • 能在Applet与Android的限制环境运行良好

1.3.4 健壮

  • 不再因过快、过慢或超负载连接导致OutOfMemoryError
  • 不再有在高速网络环境下NIO读写频率不一致的问题

1.3.5 易用

  • 完善的JavaDoc，用户指南和样例
  • 简洁简单
  • 仅依赖标准JDK

1.4 与其他框架的比较

1.4.1 Mina

Mina是有apache开发的帮助用户开发高性能和高伸缩网络应用程序的框架。它通过Java nio技术基于TCP/IP和UDP/IP协议提供了抽象的、事件驱动的、异步的API。

Netty与Mina的比较：

  • Netty和Mina的主导作者是同一人
  • Mina出自于Apache，Netty出身于商业开源大亨Jboss
  • Mina和Netty都采用了Reactors in threads模型
  • Mina是heapbytebuffer，Netty是directbytebuffer
  • 调度任务的不同
  • Mina和内核结合更紧密
  • Netty开发比Mina开发更灵活，更友好

2. 架构简介

2.1 架构分析

2.1.1 总体结构

2.1.1.1 Core
Netty Core是Netty核心内容，它包括事件模型、通用API和Zero Copy功能。是上层功能的基础，由Core可以构建不同的应用服务。
2.1.1.2 Protocl Support
Protocol Support提供了多种协议的编解码包括HTTP、二进制和Google Protobuf等等，它们通过Codec Framework进行整合。
2.1.1.3 Transport Support
Transport Support提供了基本的NIO和BIO传输实现，是Netty网络通信的基础。
2.1.1.4 Security Support
Security Support不光提供了通信层的安全保障（比如SSL/TLS）,还在应用层提供了解决OOM的方案。
2.1.1.5 Container Integration
Container Integration是可以应用于其他主流开发框架的集合，通过它可以和Spring、OSGi进行快速集成，为快速使用Netty提供基础支撑。

2.1.2 逻辑架构

2.1.2.1 Reactor通信调度层
该层的主要职责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管理的职责链来后续进行处理。
2.1.2.2 PipeLine
PipeLine是职责链ChannelPipeLine,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Handler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，这样上层业务则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，实现层面的分层隔离。
2.1.2.3 业务逻辑编排层
业务逻辑编排层通常有两类：一类是纯粹的业务逻辑编排，还有一类是其他的应用层协议插件，用于特定协议相关的会话和链路管理。
2.1.2.4 分层设计
架构的不同层面，需要关心和处理的对象都不同，通常情况下，对于业务开发者，只需要关心职责链的拦截和业务Handler的编排，因为应用层协议栈往往是开发一次，到处运行，实际上对于业务开发者来说，只需要关心服务层的业务逻辑开发即可。各种应用协议以插件的形式提供，只有协议开发人员需要关注协议插件，对于其他业务开发人员来说，只需要关心业务逻辑定制即可。这种分层的架构设计理念实现了NIO框架各层之间的解耦，便于上层业务协议栈的开发和业务逻辑的定制。

正是由于Netty的分层架构设计合理，基于Netty的各种应用服务器和协议栈开发才能够如雨后春笋般得到快速发展。

2.2 架构特点

2.2.1 高性能

性能是设计出来的，而不是测试出来的

  • 采用异步非阻塞I/O类库，基于Reactor模型实现，解决了传统同步阻塞I/O模式下一个服务器无法平滑地处理线性增长的客户端问题
  • TCP接收和发送缓冲区使用直接内存代替堆内存，避免了内存复杂，提高读写性能
  • 通过内存池循环利用ByteBuf，避免频繁创建和销毁带来的性能损耗
  • 可配置的IO线程数、TCP参数
  • 采用环形数组缓冲区实现无锁化并发编程
  • 关键资源使用单线程串行化方式
  • 通过引入计数器及时地申请释放不再被引用的对象，细粒度的内存管理，减少GC

2.2.2 可靠性

  • 链路有效性检测

    心跳机制进行检测：空闲时检测，事件通知

  • 内存保护机制

    计数器、重用、上限

  • 优雅停机

2.2.3 可定制扩展性

  • 责任链模式
  • 基于接口开发
  • 提供了大量工厂类
  • 提供了大量的可配置参数

3. 应用

  • 在互联网中的应用：Dubbo

    1. 提供异步、高性能的NIO的通信框架

    2. NIO客户端和服务端

    3. 心跳检测能力

    4. 断连重连机制

    5. 流量控制

    6. Dubbo协议的编解码

  • 大数据领域的应用:Apache Avro

    1. 提供异步、高性能的NIO的通信框架

    2. NIO客户端和服务端

    3. 心跳检测能力

    4. 断连重连机制

    5. 流量控制

  • 游戏服务器的应用

    1. 为各进程提供高性能的异步网络通信能力

    2. 自定义协议的编解码

    3. 心跳检测、流量整形、日志统计

    4. SSL、黑白名单

    5. 内存池技术保证最大限度重用对象

4. 未来发展

  • 广泛的应用

  • 深入的技术演进

    1. 支持Android
    2. 简化处理器层次
    3. 更简单更精确的缓冲区泄漏追踪
    4. 更灵活的线程模型
    5. ...

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