JDK 原生 NIO 程序的问题
JDK 原生也有一套网络应用程序 API，但是存在一系列问题，主要如下：
1、NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦。你需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer 等。
2、需要具备其他的额外技能做铺垫。例如熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网路编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。
3、可靠性能力补齐，开发工作量和难度都非常大。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理等等。
4、NIO 编程的特点是功能开发相对容易，但是可靠性能力补齐工作量和难度都非常大。
5、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%。
Netty 的特点
Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行封装，解决上述问题，主要特点有：
- 1、设计优雅，适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型 - 单线程，一个或多个线程池；真正的无连接数据报套接字支持（自 3.1 起）。
- 2、使用方便，详细记录的 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；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。
- 4、安全，完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
- 5、社区活跃，不断更新，社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入。
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。2、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。
非常方便定制和开发私有协议栈，账号登录服务器，地图服务器之间可以方便的通过 Netty 进行高性能的通信。3、大数据领域。经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信，它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。
Netty 线程模型
Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型（如下图）做了一定的修改，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor：
- 1、MainReactor 负责客户端的连接请求，并将请求转交给 SubReactor。
- 2、SubReactor 负责相应通道的 IO 读写请求。
- 3、非 IO 请求（具体逻辑处理）的任务则会直接写入队列，等待 worker threads 进行处理。
这里引用 Doug Lee 大神的 Reactor 介绍：Scalable IO in Java 里面关于主从 Reactor 多线程模型的图：
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.group(bossGroup,workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)
上面代码中的 bossGroup 和 workerGroup 是 Bootstrap 构造方法中传入的两个对象，这两个 group 均是线程池：
- 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，专门处理端口的 Accept 事件，每个端口对应一个 Boss 线程。
- workerGroup 线程池会被各个 SubReactor 和 Worker 线程充分利用。
异步处理
异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。
Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture。
调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。
当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调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 方法来判断当前操作是否完成。
- 2、通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功。
- 3、通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因。
- 4、通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消。
- 5、通过 addListener 方法来注册监听器，当操作已完成(isDone 方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果 Future 对象已完成，则理解通知指定的监听器。
例如下面的代码中绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑。
serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
if (future.isSuccess()) {
System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
} else {
System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
}
});
相比传统阻塞 I/O，执行 I/O 操作后线程会被阻塞住，直到操作完成；异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O 操作期间可以执行别的程序，在高并发情形下会更稳定和更高的吞吐量。
Netty 架构设计
前面介绍完 Netty 相关一些理论，下面从功能特性、模块组件、运作过程来介绍 Netty 的架构设计。
功能特性
Netty 功能特性如下：
- 1、传输服务，支持 BIO 和 NIO。
- 2、容器集成，支持 OSGI、JBossMC、Spring、Guice 容器。
- 3、协议支持，HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket 等一系列常见协议都支持。还支持通过实行编码解码逻辑来实现自定义协议。
- 4、Core 核心，可扩展事件模型、通用通信 API、支持零拷贝的 ByteBuf 缓冲对象。
模块组件
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。
Future、ChannelFuture
正如前面介绍，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。
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：
- 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
- 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
- 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。
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。
- 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。下面是一些常用的 Channel 类型：
- NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
- NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
- NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
- NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
- 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。
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 。
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。
两种任务的执行时间比由变量 ioRatio 控制，默认为 50，则表示允许非 IO 任务执行的时间与 IO 任务的执行时间相等。
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。
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。
ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：
- ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
- ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。
或者使用以下适配器类：
- ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
- ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
- ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。
ChannelHandlerContext
保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。
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。
下图引用 Netty 的 Javadoc 4.1 中 ChannelPipeline 的说明，描述了 ChannelPipeline 中 ChannelHandler 通常如何处理 I/O 事件。
I/O 事件由 ChannelInboundHandler 或 ChannelOutboundHandler 处理，并通过调用 ChannelHandlerContext 中定义的事件传播方法。
例如 ChannelHandlerContext.fireChannelRead（Object）和 ChannelOutboundInvoker.write（Object）转发到其最近的处理程序。
入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。入站 Handler 处理程序通常处理由图底部的 I/O 线程生成的入站数据。
通常通过实际输入操作（例如 SocketChannel.read（ByteBuffer））从远程读取入站数据。
出站事件由上下方向处理，如图右侧所示。出站 Handler 处理程序通常会生成或转换出站传输，例如 write 请求。
I/O 线程通常执行实际的输出操作，例如 SocketChannel.write（ByteBuffer）。
在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下：
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。
入站事件和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。
Netty Reactor 工作架构图
1、Server 端包含 1 个 Boss NioEventLoopGroup 和 1 个 Worker NioEventLoopGroup。
2、NioEventLoopGroup 相当于 1 个事件循环组，这个组里包含多个事件循环NioEventLoop，每个 NioEventLoop 包含 1 个 Selector 和 1 个事件循环线程。
-
3、每个 Boss NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：
- 1）轮询 Accept 事件。
- 2）处理 Accept I/O 事件，与 Client 建立连接，生成 NioSocketChannel，并将 NioSocketChannel 注册到某个 Worker NioEventLoop 的 Selector 上。
- 3）处理任务队列中的任务，runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用 eventloop.execute 或 schedule 执行的任务，或者其他线程提交到该 eventloop 的任务。
-
4、每个 Worker NioEventLoop 循环执行的任务包含 3 步：
- 1）轮询 Read、Write 事件。
- 2）处理 I/O 事件，即 Read、Write 事件，在 NioSocketChannel 可读、可写事件发生时进行处理。
- 3）处理任务队列中的任务，runAllTasks。
5、每个Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用pipeline(管道), 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
其中任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景。
- 1、用户程序自定义的普通任务
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
/**
* 读取数据事件（读取客户端发送的消息）
* @param ctx 上下文对象，可以获取管道pipeline,通道channel,地址
* @param msg 客户端发送的数据，默认Object
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//如果这里有一个非常耗时长的业务 -> 异步执行 -> 提交该channel对应的NioEventLoop的TaskQueue中
//解决方案1：用户自定义的普通任务
ctx.channel().eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Hello,客户端~喵2~", CharsetUtil.UTF_8));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
}
}
- 2、用户自定义定时任务
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
/**
* 读取数据事件（读取客户端发送的消息）
* @param ctx 上下文对象，可以获取管道pipeline,通道channel,地址
* @param msg 客户端发送的数据，默认Object
* @throws Exception
*/
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//如果这里有一个非常耗时长的业务 -> 异步执行 -> 提交该channel对应的NioEventLoop的TaskQueue中
//解决方案2：用户自定义的定时任务 -> 该任务提交到scheduleTaskQueue中
ctx.channel().eventLoop().schedule(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(5 * 1000);
ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Hello,客户端~喵3~", CharsetUtil.UTF_8));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
},5, TimeUnit.SECONDS);
}
}
- 3、非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法
例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费。
方案再说明
1、Netty 抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负责网络读写操作。
2、NioEventLoop 表示一个不断循环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 网络通道。
-
3、NioEventLoop 内部采用串行化设计，从消息的读取->解码->处理->编码->发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责。
- 1、NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
- 2、每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue。
- 3、每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel。
- 4、每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上。
- 5、每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline。
