Netty的高性能设计

基于不断的对Netty框架和系统底层知识的理解过程,总结Netty采用的高性能技术与设计,构建自己的认知体系。不断完善中~

  • 多路复用通讯方式

    以在Linux系统中为例,Netty利用系统提供的event poll能力(epoll),使得少量线程高效的同时处理大量网络连接称为可能。

  • “零拷贝”技术

    所谓零拷贝,准确应该是称为”尽量减少数据在内存中的复制的各种相关技术“,netty中主要有以下几点:

    1. Netty中的ByteBuf相当于是个虚拟Buffer,整合多个ByteBuffer。

      以接收服务端数据为例,由于采用了非阻塞的io方式,数据必然是可能分多次read然后存放在不同的ByteBuffer上的,这是数据传输也就是TCP层面的,那么最后HTTP层面,我们实际需要的是一个完整的Request Message之后对完整的请求报文进行解析,然后处理请求逻辑。那么如果是用ByteBuffer的话,就需要进行组合而少不了buffer的复制。Netty使用虚拟buffer的方式管理了各个实际buffer的位置、而不是真正的把它们复制到一个完整的大buffer中去,这样对使用netty的开发者来说,就好像直接使用了一个完整的buffer一样,底层的结构对开发者透明。一种非常走心的封装。

    2. Netty做文件传输的话,使用了transferTo方法。底层利用的是系统的sendfile能力。对于需要发送的文件数据来说,只进行了两次DMA复制而没有CPU参与复制,减轻了CPU的负担。另外,也避免了内核buffer与用户buffer之间的数据复制,减少了用户态内存的占用,也减少了上下文切换了次数。

    3. Netty直接使用堆外的直接内存来做buffer,没有使用堆内存里的buffer。

      首先明确的一个事实是,使用堆外内存是一种“必然”:Java是没有I/O能力的,得借助操作系统。数据从网卡通过DMA到了系统内核的socket缓冲,java想用这部分数据的话要么把数据复制到自己的堆上来操作,或者要么是java取得这部分堆外直接内存的映射关系、也就是拿到堆外内存地址,这样也可以拿到这些数据(unsafe包的能力)。所以说使用直接的内存的好处就看出来了,少了堆内存的占用、也免了gc,还免了内存复制和上下文切换。

  • 内存池

    上面提到Netty为了高性能而使用了堆外直接内存作为buffer缓冲区。带来的一个问题是堆外直接内存的申请与释放的开销是非常大的、是重量级的工作,得想办法复用,提到复用自然想到了池化技术。Netty提供了基于内存池的缓冲区复用机制。https://my.oschina.net/andylucc/blog/614589

  • 高效Reactor线程模型

    在操作系统的epoll()能力和NIO异步通讯模型的支持下,使得我们可以实现下面三种Reactor线程模型:

    1. 单reactor线程模型,一个reactor线程做所有的工作。
    2. 前边1个reactor线程也就是boss做accept,后边是N个reactor worker线程组成线程池做read和write工作。
    3. boss和worker都是线程池
  • 无锁设计、线程绑定

EventLoop封装了IO相关的方法,非IO线程执行这些方法时,内部会将IO操作封装成task,根据channel与EventLoop的对应关系,提交到EventLoop内部的一个高性能CAS无锁队列里(org.jctools.queues.MpscUnboundedArrayQueue),所以io task都由IO线程来执行,io线程一直不断循环处理:向selector轮询ACCEPT,READ,WRITE,CONNECT等IO事件->处理IO事件->处理队列里非io线程提交上来的io操作,这样一个loop过程。

这里有个细节,站在EventLoop的这些IO相关的方法的角度,需要判断当前的io操作是绑定到本EventLoop的IO线程调用的,还是非IO线程调用的,如果是前者,如果是则直接执行,否则入队列,这就是inEventLoop()方法的作用。

关于EventLoop内置的那个无锁队列,可以参考https://my.oschina.net/hmilyylimh/blog/1787788

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