IO系列(二) netty组件及线程模型详解

简介：Netty是一个NIO客户端服务器框架，可以快速轻松地开发网络应用程序，例如协议服务器和客户端。它极大地简化和简化了网络编程，例如TCP和UDP套接字服务器。

Netty的使用场景：

互联网行业：在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少， Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 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 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现。各进程节点之间的内部通信。Rocketmq底层也是用的Netty作 为基础通信组件。
游戏行业：无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用。Netty 作为高性能的基础通信组件，它本身提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈。

netty模型详解：

1. Netty 抽象出两组线程池BossGroup和WorkerGroup，BossGroup专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup专门负责网络的读写
2. BossGroup和WorkerGroup类型都是NioEventLoopGroup
3. NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环线程组, 这个组中含有多个事件循环线程 ， 每一个事件 循环线程是NioEventLoop
4. 每个NioEventLoop都有一个selector , 用于监听注册在其上的socketChannel的网络通讯
5. 每个Boss NioEventLoop线程内部循环执行的步骤有 3 步

• 处理accept事件 , 与client 建立连接 , 生成 NioSocketChannel
• 将NioSocketChannel注册到某个worker NIOEventLoop上的selector 处理任务队列的任务 ， 即runAllTasks

6. 每个worker NIOEventLoop线程循环执行的步骤

• 轮询注册到自己selector上的所有NioSocketChannel 的read, write事件
• 处理 I/O 事件， 即read , write 事件， 在对应NioSocketChannel 处理业务
• runAllTasks处理任务队列TaskQueue的任务 ，一些耗时的业务处理一般可以放入 TaskQueue中慢慢处理，这样不影响数据在 pipeline 中的流动处理

7. 每个worker NIOEventLoop处理NioSocketChannel业务时，会使用 pipeline (管道)，管道中维护 了很多 handler 处理器用来处理 channel 中的数据

Netty核心模块组件

1. Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类

2. Future、ChannelFuture

在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

3. Channel

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

1. 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
2. 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
3. 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成
4. 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方
5. 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序
   不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应

1 NioSocketChannel，异步的客户端TCP Socket 连接。
2 NioServerSocketChannel，异步的服务器端TCP Socket 连接。
3 NioDatagramChannel，异步的UDP连接。
4NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
5 NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了UDP和TCP网络IO以及文件IO。

4. Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel事件。当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel

5. NioEventLoop

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由processSelectedKeys 方法触发。
非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

6. NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程

7. ChannelHandler

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序

8. ChannelPipline

保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应 ， 一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个ChannelHandler。read事件(入站事件)和write事件(出站事件)在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的handler 互不干扰

参考网站：

官网：https://netty.io/

用户手册：https://netty.io/wiki/user-guide.html

《Scalable IO in Java》：http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf