物联网编程之通讯框架-Netty(一)

物联网编程之通讯框架-Netty(一)

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1、弁言

Netty 是一个广受欢迎的异步事宜驱动的JAVA开源网络应用程序框架,用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。
本文基于 Netty 4.1 睁开先容相关理论模子,使用场景,基本组件、整体架构,知其然且知其以是然,希望给人人在现实开发实践、学习开源项目方面提供参考。

2、相关资料

Netty源码在线阅读:

  • Netty-4.1.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty4_1/
  • Netty-4.0.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty4/
  • Netty-3.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty3/

Netty在线API文档:

  • Netty-4.1.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/netty4_1/
  • Netty-4.0.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/netty4/
  • Netty-3.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/netty3/

3、JDK 原生 NIO 程序的问题

JDK 原生也有一套网络应用程序 API,然则存在一系列问题,主要如下:

  • 1)NIO 的类库和 API 繁杂,使用贫苦:你需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
  • 2)需要具备其他的分外技能做铺垫:例如熟悉 Java 多线程编程,由于 NIO 编程涉及到 Reactor 模式,你必须对多线程和网路编程异常熟悉,才气编写出高质量的 NIO 程序。
  • 3)可靠性能力补齐,开发工作量和难度都异常大:例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流的处置等等。NIO 编程的特点是功效开发相对容易,然则可靠性能力补齐工作量和难度都异常大。
  • 4)JDK NIO 的 Bug:例如臭名昭著的 Epoll Bug,它会导致 Selector 空轮询,最终导致 CPU 100%。官方声称在 JDK 1.6 版本的 update 18 修复了该问题,然则直到 JDK 1.7 版本该问题依旧存在,只不过该 Bug 发生概率降低了一些而已,它并没有被基本解决。

4、Netty 的特点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 举行了封装,解决了上述问题。
Netty的主要特点有:

  • 1)设计优雅:适用于种种传输类型的统一 API 壅闭和非壅闭 Socket;基于天真且可扩展的事宜模子,可以清晰地星散关注点;高度可定制的线程模子 - 单线程,一个或多个线程池;真正的无毗邻数据报套接字支持(自 3.1 起)。
  • 2)使用利便:详细纪录的 Javadoc,用户指南和示例;没有其他依赖项,JDK 5(Netty 3.x)或 6(Netty 4.x)就足够了。
  • 3)高性能、吞吐量更高:延迟更低;削减资源消耗;最小化不必要的内存复制。
  • 4)平安:完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
  • 5)社区活跃、不停更新:社区活跃,版本迭代周期短,发现的 Bug 可以被实时修复,同时,更多的新功效会被加入。

5、Netty 常见使用场景

Netty 常见的使用场景如下:

  • 1)互联网行业:在分布式系统中,各个节点之间需要远程服务挪用,高性能的 RPC 框架必不可少,Netty 作为异步高性能的通讯框架,往往作为基础通讯组件被这些 RPC 框架使用。典型的应用有:阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架使用 Dubbo 协议举行节点间通讯,Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通讯组件,用于实现各历程节点之间的内部通讯。
  • 2)游戏行业:无论是手游服务端照样大型的网络游戏,Java 语言获得了越来越普遍的应用。Netty 作为高性能的基础通讯组件,它本身提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈。

异常利便定制和开发私有协议栈,账号登录服务器,舆图服务器之间可以利便的通过 Netty 举行高性能的通讯。

  • 3)大数据领域:经典的 Hadoop 的高性能通讯和序列化组件 Avro 的 RPC 框架,默认接纳 Netty 举行跨界点通讯,它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。
  • 4)物联网行业:基于Netty异步高性能事宜驱动机制,开发与终端通讯的Java后台服务程序已经不再是难事,已经有许多物联网企业选择Netty。

有兴趣的读者可以领会一下现在有哪些开源项目使用了 Netty的Related Projects:https://netty.io/wiki/related-projects.html

6、Netty 高性能设计

Netty 作为异步事宜驱动的网络,高性能之处主要来自于其 I/O 模子和线程处置模子,前者决议若何收发数据,后者决议若何处置数据(重点明白这点)。
6.1I/O 模子

用什么样的通道将数据发送给对方,BIO、NIO 或者 AIO,I/O 模子在很大程度上决议了框架的性能。
【壅闭 I/O】:
传统壅闭型 I/O(BIO)可以用下图示意:

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特点如下:

  • 每个请求都需要自力的线程完成数据 Read,营业处置,数据 Write 的完整操作问题。
  • 当并发数较大时,需要确立大量线程来处置毗邻,系统资源占用较大。
  • 毗邻确立后,若是当前线程暂时没有数据可读,则线程就壅闭在 Read 操作上,造成线程资源虚耗。

【I/O 复用模子】:

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在 I/O 复用模子中,会用到 Select,这个函数也会使历程壅闭,然则和壅闭 I/O 所差其余是这两个函数可以同时壅闭多个 I/O 操作。
而且可以同时对多个读操作,多个写操作的 I/O 函数举行检测,直到有数据可读或可写时,才真正挪用 I/O 操作函数。
Netty 的非壅闭 I/O 的实现要害是基于 I/O 复用模子,这里用 Selector 工具示意:

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Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器 Selector,可以同时并发处置成百上千个客户端毗邻。
当线程从某客户端 Socket 通道举行读写数据时,若没有数据可用时,该线程可以举行其他义务。
线程通常将非壅闭 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作,以是单独的线程可以治理多个输入和输出通道。
由于读写操作都是非壅闭的,这就可以充实提升 IO 线程的运行效率,制止由于频仍 I/O 壅闭导致的线程挂起。
一个 I/O 线程可以并发处置 N 个客户端毗邻和读写操作,这从基本上解决了传统同步壅闭 I/O 一毗邻一线程模子,架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都获得了极大的提升。
【基于 Buffer】:
传统的 I/O 是面向字节省或字符流的,以流式的方式顺序地从一个 Stream 中读取一个或多个字节, 因此也就不能随意改变读取指针的位置。
在 NIO 中,甩掉了传统的 I/O 流,而是引入了 Channel 和 Buffer 的观点。在 NIO 中,只能从 Channel 中读取数据到 Buffer 中或将数据从 Buffer 中写入到 Channel。
基于 Buffer 操作不像传统 IO 的顺序操作,NIO 中可以随意地读取随便位置的数据。

6.2线程模子

数据报若何读取?读取之后的编解码在哪个线程举行,编解码后的新闻若何派发,线程模子的差别,对性能的影响也异常大。
【事宜驱动模子】:
通常,我们设计一个事宜处置模子的程序有两种思绪:

  • 1)轮询方式:线程不停轮询接见相关事宜发生源有没有发生事宜,有发生事宜就挪用事宜处置逻辑;
  • 2)事宜驱动方式:发生事宜,主线程把事宜放入事宜行列,在另外线程不停循环消费事宜列表中的事宜,挪用事宜对应的处置逻辑处置事宜。事宜驱动方式也被称为新闻通知方式,其实是设计模式中观察者模式的思绪。

以 GUI 的逻辑处置为例,说明两种逻辑的差别:

  • 1)轮询方式:线程不停轮询是否发生按钮点击事宜,若是发生,挪用处置逻辑。
  • 2)事宜驱动方式:发生点击事宜把事宜放入事宜行列,在另外线程消费的事宜列表中的事宜,凭据事宜类型挪用相关事宜处置逻辑。

这里借用 O'Reilly 大神关于事宜驱动模子注释图:

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主要包罗 4 个基本组件:

  • 1)事宜行列(event queue):吸收事宜的入口,存储待处置事宜;
  • 2)分发器(event mediator):将差其余事宜分发到差其余营业逻辑单元;
  • 3)事宜通道(event channel):分发器与处置器之间的联系渠道;
  • 4)事宜处置器(event processor):实现营业逻辑,处置完成后会发出事宜,触发下一步操作。

可以看出,相对传统轮询模式,事宜驱动有如下优点:

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  • 1)可扩展性好:分布式的异步架构,事宜处置器之间高度解耦,可以利便扩展事宜处置逻辑;
  • 2)高性能:基于行列暂存事宜,能利便并行异步处置事宜。

【Reactor 线程模子】:
Reactor 是反映堆的意思,Reactor 模子是指通过一个或多个输入同时传递给服务处置器的服务请求的事宜驱动处置模式。
服务端程序处置传入多路请求,并将它们同步分派给请求对应的处置线程,Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式,即 I/O 多了复用统一监听事宜,收到事宜后分发(Dispatch 给某历程),是编写高性能网络服务器的必备手艺之一。
Reactor 模子中有 2 个要害组成:

  • 1)Reactor:Reactor 在一个单独的线程中运行,卖力监听和分发事宜,分发给适当的处置程序来对 IO 事宜做出反映。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;
  • 2)Handlers:处置程序执行 I/O 事宜要完成的现实事宜,类似于客户想要与之攀谈的公司中的现实官员。Reactor 通过调剂适当的处置程序来响应 I/O 事宜,处置程序执行非壅闭操作。

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取决于 Reactor 的数目和 Hanndler 线程数目的差别,Reactor 模子有 3 个变种:

  • 1)单 Reactor 单线程;
  • 2)单 Reactor 多线程;
  • 3)主从 Reactor 多线程。

可以这样明白,Reactor 就是一个执行 while (true) { selector.select(); …} 循环的线程,会源源不停的发生新的事宜,称作反映堆很贴切。
篇幅关系,这里不再详细睁开 Reactor 特征、优缺点对照,有兴趣的读者可以参考我之前另外一篇文章:《高性能网络编程(五):一文读懂高性能网络编程中的I/O模子》、《高性能网络编程(六):一文读懂高性能网络编程中的线程模子》。
【Netty 线程模子】:
Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模子(如下图)做了一定的修改,其中主从 Reactor 多线程模子有多个 Reactor:

  • 1)MainReactor 卖力客户端的毗邻请求,并将请求转交给 SubReactor;
  • 2)SubReactor 卖力响应通道的 IO 读写请求;
  • 3)非 IO 请求(详细逻辑处置)的义务则会直接写入行列,守候 worker threads 举行处置。

这里引用 Doug Lee 大神的 Reactor 先容——Scalable IO in Java 内里关于主从 Reactor 多线程模子的图:

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稀奇说明的是:虽然 Netty 的线程模子基于主从 Reactor 多线程,借用了 MainReactor 和 SubReactor 的结构。然则现实实现上 SubReactor 和 Worker 线程在同一个线程池中:

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();

EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();

server.group(bossGroup, workerGroup)

.channel(NIOServerSocketChannel.class)

上面代码中的 bossGroup 和 workerGroup 是 Bootstrap 组织方式中传入的两个工具,这两个 group 均是线程池:

  • 1)bossGroup 线程池则只是在 Bind 某个端口后,获得其中一个线程作为 MainReactor,专门处置端口的 Accept 事宜,每个端口对应一个 Boss 线程;
  • 2)workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充实利用。

【异步处置】:
异步的观点和同步相对。当一个异步历程挪用发出后,挪用者不能马上获得效果。现实处置这个挪用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知挪用者。
Netty 中的 I/O 操作是异步的,包罗 Bind、Write、Connect 等操作会简朴的返回一个 ChannelFuture。
挪用者并不能马上获得效果,而是通过 Future-Listener 机制,用户可以利便的自动获取或者通过通知机制获得 IO 操作效果。
当 Future 工具刚刚确立时,处于非完成状态,挪用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态,注册监听函数来执行完成后的操作。
常见有如下操作:

  • 1)通过 isDone 方式来判断当前操作是否完成;
  • 2)通过 isSuccess 方式来判断已完成的当前操作是否乐成;
  • 3)通过 getCause 方式来获取已完成的当前操作失败的缘故原由;
  • 4)通过 isCancelled 方式来判断已完成的当前操作是否被作废;
  • 5)通过 addListener 方式来注册监听器,当操作已完成(isDone 方式返回完成),将会通知指定的监听器;若是 Future 工具已完成,则明白通知指定的监听器。

例如下面的代码中绑定端口是异步操作,当绑定操作处置完,将会挪用响应的监听器处置逻辑:

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {

if (future.isSuccess()) {

System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定乐成!");

} else {

System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");

}

});

相比传统壅闭 I/O,执行 I/O 操作后线程会被壅闭住, 直到操作完成;异步处置的利益是不会造成线程壅闭,线程在 I/O 操作时代可以执行其余程序,在高并发情形下会更稳固和更高的吞吐量。

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