Netty 是如何支撑高性能网络通信的？

本文选自 Doocs 开源社区旗下“源码猎人”项目，作者 AmyliaY。

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作为一个高性能的 NIO 通信框架，Netty 被广泛应用于大数据处理、互联网消息中间件、游戏和金融行业等。大多数应用场景对底层的通信框架都有很高的性能要求，作为综合性能最高的 NIO 框架 之一，Netty 可以完全满足不同领域对高性能通信的需求。本文我们将从架构层对 Netty 的高性能设计和关键代码实现进行剖析，看 Netty 是如何支撑高性能网络通信的。

RPC 调用性能模型分析

传统 RPC 调用性能差的原因

网络传输方式问题

传统的 RPC 框架或者基于 RMI 等方式的远程过程调用采用了同步阻塞 I/O，当客户端的并发压力或者网络时延增大之后，同步阻塞 I/O 会由于频繁的 wait 导致 I/O 线程经常性的阻塞，由于线程无法高效的工作，I/O 处理能力自然下降。

采用 BIO 通信模型的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接，接收到客户端连接之后，为其创建一个新的线程处理请求消息，处理完成之后，返回应答消息给客户端，线程销毁，这就是典型的 “ 一请求，一应答 ” 模型。该架构最大的问题就是不具备弹性伸缩能力，当并发访问量增加后，服务端的线程个数和并发访问数成线性正比，由于线程是 Java 虛拟机 非常宝贵的系统资源，当线程数膨胀之后，系统的性能急剧下降，随着并发量的继续增加，可能会发生句柄溢出、线程堆栈溢出等问题，并导致服务器最终宕机。

序列化性能差

Java 序列化存在如下几个典型问题：

1.Java 序列化机制是 Java 内部的一 种对象编解码技术，无法跨语言使用。例如对于异构系统之间的对接，Java 序列化后的码流需要能够通过其他语言反序列化成原始对象，这很难支持。2.相比于其他开源的序列化框架，Java 序列化后的码流太大，无论是网络传输还是持久化到磁盘，都会导致额外的资源占用。3.序列化性能差，资源占用率高 ( 主要是 CPU 资源占用高 )。

线程模型问题

由于采用同步阻塞 I/O，这会导致每个 TCP 连接 都占用 1 个线程，由于线程资源是 JVM 虚拟机 非常宝贵的资源，当 I/O 读写阻塞导致线程无法及时释放时，会导致系统性能急剧下降，严重的甚至会导致虚拟机无法创建新的线程。

IO 通信性能三原则

尽管影响 I/O 通信性能的因素非常多，但是从架构层面看主要有三个要素。

1.传输：用什么样的通道将数据发送给对方。可以选择 BIO、NIO 或者 AIO，I/O 模型 在很大程度上决定了通信的性能；2.协议：采用什么样的通信协议，HTTP 等公有协议或者内部私有协议。协议的选择不同，性能也不同。相比于公有协议，内部私有协议的性能通常可以被设计得更优；3.线程模型：数据报如何读取？读取之后的编解码在哪个线程进行，编解码后的消息如何派发，Reactor 线程模型的不同，对性能的影响也非常大。

异步非阻塞通信

在 I/O 编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者 I/O 多路复用技术进行处理。I/O 多路复用技术通过把多个 I/O 的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。 与传统的多线程 / 多进程模型比，I/O 多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

JDK1.4 提供了对非阻塞 I/O 的支持，JDK1.5 使用 epoll 替代了传统的 select / poll，极大地提升了 NIO 通信 的性能。

与 Socket 和 ServerSocket 类相对应，NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现。这两种新增的通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。 阻塞模式使用非常简单，但是性能和可靠性都不好，非阻塞模式则正好相反。开发人员一般可以根据自己的需要来选择合适的模式，一般来说，低负载、低并发的应用程序可以选择同步阻塞 I/O 以降低编程复杂度。但是对于高负载、高并发的网络应用，需要使用 NIO 的非阻塞模式进行开发。

Netty 的 I/O 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器 Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端 SocketChannel。由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 I/O 线程 的运行效率，避免由频繁的 I/O 阻塞 导致的线程挂起。另外，由于 Netty 采用了异步通信模式，一个 I/O 线程 可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统 同步阻塞 I/O “ 一连接，一线程 ” 模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

高效的 Reactor 线程模型

常用的 Reactor 线程模型有三种，分别如下：

1.Reactor 单线程模型；2.Reactor 多线程模型；3.主从 Reactor 多线程模型。

Reactor 单线程模型，指的是所有的 I/O 操作都在同一个 NIO 线程上面完成，NIO 线程的职责如下：

1.作为 NIO 服务端，接收客户端的 TCP 连接；2.作为 NIO 客户端，向服务端发起 TCP 连接；3.读取通信对端的请求或者应答消息；4.向通信对端发送消息请求或者应答消息。

由于 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 I/O，所有的 I/O 操作 都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有 I/O 相关的操作。从架构层面看，一个 NIO 线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过 Acceptor 接收客户端的 TCP 连接请求消息，链路建立成功之后，通过 Dispatch 将对应的 ByteBuffer 派发到指定的 Handler 上进行消息解码。用户 Handler 可以通过 NIO 线程 将消息发送给客户端。

对于一些小容量应用场景，可以使用单线程模型，但是对于高负载、大并发的应用却不合适，主要原因如下。

1.一个 NIO 线程 同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑。 即便 NIO 线程 的 CPU 负荷 达到 100%，也无法满足海量消息的编码，解码、读取和发送；2.当 NIO 线程 负载过重之后，处理速度将变慢，这会导致大量客户端连接超时，超时之后往往会进行重发，这更加重了 NIO 线程 的负载，最终会导致大量消息积压和处理超时，NIO 线程会成为系统的性能瓶颈；3.可靠性问题。一旦 NIO 线程意外跑飞，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障。

为了解决这些问题，演进出了 Reactor 多线程模型，下面我们看一下 Reactor 多线程模型。

Rector 多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组 NIO 线程 处理 I/O 操作，它的特点如下。

1.有一个专门的 NIO 线程 —— Acceptor 线程 用于监听服务端口，接收客户端的 TCP 连接请求；2.网络 IO 操作 —— 读、写等由一个 NIO 线程池 负责，线程池可以采用标准的 JDK 线程池 实现，它包含一个任务队列和 N 个可用的线程，由这些 NIO 线程 负责消息的读取、解码、编码和发送；3.1 个 NIO 线程 可以同时处理 N 条链路，但是 1 个链路只对应 1 个 NIO 线程，以防止发生并发操作问题。

在绝大多数场景下，Reactor 多线程模型 都可以满足性能需求，但是，在极特殊应用场景中，一个 NIO 线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证，认证本身非常损耗性能。在这类场景下，单独一个 Acceptor 线程 可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种 Reactor 线程模型 —— 主从 Reactor 多线程模型。

主从 Reactor 线程模型的特点是，服务端用于接收客户端连接的不再是个单线程的连接处理 Acceptor，而是一个独立的 Acceptor 线程池。Acceptor 接收到客户端 TCP 连接请求 处理完成后 ( 可能包含接入认证等 )，将新创建的 SocketChannel 注册到 I/O 处理线程池 的某个 I/O 线程 上，由它负责 SocketChannel 的读写和编解码工作。Acceptor 线程池 只用于客户端的登录、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到 I/O 处理线程池的 I/O 线程 上，每个 I/O 线程 可以同时监听 N 个链路，对链路产生的 IO 事件 进行相应的 消息读取、解码、编码及消息发送等操作。

利用主从 Reactor 线程模型，可以解决 1 个 Acceptor 线程 无法有效处理所有客户端连接的性能问题。因此，Netty 官方也推荐使用该线程模型。

事实上，Netty 的线程模型并非固定不变，通过在启动辅助类中创建不同的 EventLoopGroup 实例 并进行适当的参数配置，就可以支持上述三种 Reactor 线程模型。可以根据业务场景的性能诉求，选择不同的线程模型。

Netty 单线程模型服务端代码示例如下：

    EventLoopGroup reactor = new NioEventLoopGroup(1);    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();    bootstrap.group(reactor, reactor)            .channel(NioServerSocketChannel.class)            ......

Netty 多线程模型代码示例如下：

    EventLoopGroup acceptor = new NioEventLoopGroup(1);    EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();    bootstrap.group(acceptor, ioGroup)            .channel(NioServerSocketChannel.class)            ......

Netty 主从多线程模型代码示例如下：

    EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup();    EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup();    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();    bootstrap.group(acceptorGroup, ioGroup)            .channel(NioServerSocketChannel.class)            ......

无锁化的串行设计

在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能地避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。

为了尽可能提升性能，Netty 对消息的处理采用了串行无锁化设计，在 I/O 线程 内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。Netty 的串行化设计工作原理图如下图所示。

Netty 的 NioEventLoop 读取到消息之后，直接调用 ChannelPipeline 的 fireChannelRead(Object msg)，只要用户不主动切换线程，一直会由 NioEventLoop 调用到 用户的 Handler，期间不进行线程切换。这种串行化处理方式避免了多线程操作导致的锁的竞争，从性能角度看是最优的。

零拷贝

Netty 的“ 零拷贝 ”主要体现在如下三个方面。

第一种情况。Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用堆外直接内存 (DIRECT BUFFERS) 进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的 堆内存(HEAP BUFFERS) 进行 Socket 读写，JVM 会将 堆内存 Buffer 拷贝一份到 直接内存 中，然后才写入 Socket。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

下面我们继续看第二种“ 零拷贝 ” 的实现 CompositeByteBuf，它对外将多个 ByteBuf 封装成一个 ByteBuf，对外提供统一封装后的 ByteBuf 接口。CompositeByteBuf 实际就是个 ByteBuf 的装饰器，它将多个 ByteBuf 组合成一个集合，然后对外提供统一的 ByteBuf 接口，添加 ByteBuf，不需要做内存拷贝。

第三种 “ 零拷贝 ” 就是文件传输，Netty 文件传输类 DefaultFileRegion 通过 transferTo() 方法 将文件发送到目标 Channel 中。很多操作系统直接将文件缓冲区的内容发送到目标 Channel 中，而不需要通过循环拷贝的方式，这是一种更加高效的传输方式，提升了传输性能，降低了 CPU 和内存占用，实现了文件传输的 “ 零拷贝 ” 。

内存池

随着 JVM 虚拟机 和 JIT 即时编译技术 的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区 Buffer，情况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty 提供了基于内存池的缓冲区重用机制。 ByteBuf 的子类中提供了多种 PooledByteBuf 的实现，基于这些实现 Netty 提供了多种内存管理策略，通过在启动辅助类中配置相关参数，可以实现差异化的定制。

全文完！

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