Netty 学习和进阶策略-白红宇

Netty 学习和进阶策略

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发布时间：2019-06-19

本文共 9564 字，大约阅读时间需要 31 分钟。

《Netty 进阶之路》、《分布式服务框架原理与实践》作者李林锋手把手教你Netty框架如何学习和进阶。李林锋此后还将在InfoQ上开设Netty专题持续出稿，感兴趣的同学可以持续关注。

背景

Netty框架的特点

Netty的一个特点就是入门相对比较容易，但是真正掌握并精通是非常困难的，原因有如下几个：

涉及的知识面比较广：Netty作为一个高性能的NIO通信框架，涉及到的知识点包括网络通信、多线程编程、序列化和反序列化、异步和同步编程模型、SSL/TLS安全、内存池、HTTP、MQTT等各种协议栈，这些知识点在Java语言中本身就是难点和重点，如果对这些基础知识掌握不扎实，是很难真正掌握好Netty的。

调试比较困难：因为大量使用异步编程接口，以及消息处理过程中的各种线程切换，相比于传统同步代码，调试难度比较大。

类继承层次比较深，有些代码很晦涩（例如内存池、Reactor线程模型等），对于初学者而言，通过阅读代码来掌握Netty难度还是比较大的。

代码规模庞大：目前，Netty的代码规模已经非常庞大，特别是协议栈部分，提供了对HTTP/2、MQTT、WebSocket、SMTP等多种协议的支持，相关代码非常多。如果学习方式不当，抓不住重点，全量阅读Netty源码，既耗时又很难吃透，很容易半途而废。

资料比较零散，缺乏实践相关的案例：网上各种Netty的资料非常多，但是以理论讲解为主，Netty在各行业中的应用、问题定位技巧以及案例实践方面的资料很少，缺乏系统性的实践总结，也是Netty学习的一大痛点。

初学者常见问题

对于很多初学者，在学习过程中经常会遇到如下几个问题：

相关领域知识的储备不足：想了解学习Netty需要储备哪些技能，掌握哪些知识点，有什么学习技巧可以更快的掌握Netty。由于对Java多线程编程、Socket通信、TCP/IP协议栈等知识掌握不扎实，后续在学习Netty的过程中会遇到很多困难。

理论学习完，实践遇到难题：学习完理论知识之后，想在实际项目中使用，但是真正跟具体项目结合在一起解决实际问题时，又感觉比较棘手，不知道自己使用的方式是否最优，希望能够多学一些案例实践方面的知识，以便更好的在业务中使用Netty。

出了问题不会定位：在项目中遇到了问题，但是由于对Netty底层细节掌握不扎实，无法有效的定位并解决问题，只能靠网上搜索相关案例来参考，问题解决效率比较低，甚至束手无策。

Netty学习策略

Netty入门相对简单，但是要在实际项目中用好它，出了问题能够快速定位和解决，却并非易事。只有在入门阶段扎实的学好Netty，后面使用才能够得心应手。

入门知识准备

Java NIO类库

需要熟悉和掌握的类库主要包括：

缓冲区Buffer。

通道Channel。

多路复用器Selector。

首先介绍缓冲区（Buffer）的概念，Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到Stream对象中。在NIO库中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

缓冲区实质上是一个数组。通常它是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他种类的数组。但是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。

最常用的缓冲区是ByteBuffer，一个ByteBuffer提供了一组功能用于操作byte数组。比较常用的就是get和put系列方法，如下所示：

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图1 ByteBuffer常用接口定义

Channel是一个通道，可以通过它读取和写入数据，它就像自来水管一样，网络数据通过Channel读取和写入。通道与流的不同之处在于通道是双向的，流只是在一个方向上移动（一个流必须是InputStream或者OutputStream的子类），而且通道可以用于读、写或者同时用于读写。因为Channel是全双工的，所以它可以比流更好地映射底层操作系统的API。特别是在UNIX网络编程模型中，底层操作系统的通道都是全双工的，同时支持读写操作。

比较常用的Channel是SocketChannel和ServerSocketChannel，其中SocketChannel的继承关系如下图所示：

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图2 SocketChannel继承关系

Selector是Java NIO编程的基础，熟练地掌握Selector对于掌握NIO编程至关重要。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，Selector会不断地轮询注册在其上的Channel，如果某个Channel上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个Channel就处于就绪状态，会被Selector轮询出来，然后通过SelectionKey可以获取就绪Channel的集合，进行后续的I/O操作。

Java多线程编程

作为异步事件驱动、高性能的NIO框架，Netty代码中大量运用了Java多线程编程技巧，熟练掌握多线程编程是掌握Netty的必备条件。

需要掌握的多线程编程相关知识包括：

Java内存模型。

关键字synchronized。

读写锁。

volatile的正确使用。

CAS指令和原子类。

JDK线程池以及各种默认实现。

以关键字synchronized为例，它可以保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某一个方法或者代码块。同步的作用不仅仅是互斥，它的另一个作用就是共享可变性，当某个线程修改了可变数据并释放锁后，其它的线程可以获取被修改变量的最新值。如果没有正确的同步，这种修改对其它线程是不可见的。

下面我们就通过对Netty的源码进行分析，看看Netty是如何对并发可变数据进行正确同步的。以AbstractBootstrap为例进行分析，首先看它的option方法：

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这个方法的作用是设置ServerBootstrap或Bootstrap的Socket属性，它的属性集定义如下：

private final Map\u0026lt;ChannelOption\u0026lt;?\u0026gt;, Object\u0026gt; options = new LinkedHashMap\u0026lt;ChannelOption\u0026lt;?\u0026gt;, Object\u0026gt;();

由于是非线程安全的LinkedHashMap,所以如果多线程创建、访问和修改LinkedHashMap时，必须在外部进行必要的同步。由于ServerBootstrap和Bootstrap被调用方线程创建和使用，无法保证它的方法和成员变量不被并发访问。因此，作为成员变量的options必须进行正确的同步。由于考虑到锁的范围需要尽可能的小，所以对传参的option和value的合法性判断不需要加锁，保证锁的范围尽可能的细粒度。

Netty加锁的地方非常多，大家在阅读代码的时候可以仔细体会下，为什么有的地方要加锁，有的地方有不需要？如果不需要，为什么？当你对锁的原理理解以后，对于这些锁的使用时机和技巧理解起来就相对容易了。

Netty源码学习

关键类库学习

Netty的核心类库可以分为5大类，需要熟练掌握：

1、ByteBuf和相关辅助类：ByteBuf是个Byte数组的缓冲区，它的基本功能应该与JDK的ByteBuffer一致，提供以下几类基本功能:

7种Java基础类型、byte数组、ByteBuffer（ByteBuf）等的读写。

缓冲区自身的copy和slice等。

设置网络字节序。

构造缓冲区实例。

操作位置指针等方法。

动态的扩展和收缩。

从内存分配的角度看，ByteBuf可以分为两类：堆内存（HeapByteBuf）字节缓冲区：特点是内存的分配和回收速度快，可以被JVM自动回收；缺点就是如果进行Socket的I/O读写，需要额外做一次内存复制，将堆内存对应的缓冲区复制到内核Channel中，性能会有一定程度的下降。直接内存（DirectByteBuf）字节缓冲区：非堆内存，它在堆外进行内存分配，相比于堆内存，它的分配和回收速度会慢一些，但是将它写入或者从Socket Channel中读取时，由于少了一次内存复制，速度比堆内存快。

2、Channel和Unsafe：io.netty.channel.Channel是Netty网络操作抽象类，它聚合了一组功能，包括但不限于网路的读、写，客户端发起连接、主动关闭连接，链路关闭，获取通信双方的网络地址等。它也包含了Netty框架相关的一些功能，包括获取该Chanel的EventLoop，获取缓冲分配器ByteBufAllocator和pipeline等。Unsafe是个内部接口，聚合在Channel中协助进行网络读写相关的操作，它提供的主要功能如下表所示：

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Unsafe API功能列表

3、ChannelPipeline和ChannelHandler: Netty的ChannelPipeline和ChannelHandler机制类似于Servlet和Filter过滤器，这类拦截器实际上是职责链模式的一种变形，主要是为了方便事件的拦截和用户业务逻辑的定制。Servlet Filter是JEE Web应用程序级的Java代码组件，它能够以声明的方式插入到HTTP请求响应的处理过程中，用于拦截请求和响应，以便能够查看、提取或以某种方式操作正在客户端和服务器之间交换的数据。拦截器封装了业务定制逻辑，能够实现对Web应用程序的预处理和事后处理。过滤器提供了一种面向对象的模块化机制，用来将公共任务封装到可插入的组件中。这些组件通过Web部署配置文件（web.xml）进行声明，可以方便地添加和删除过滤器，无须改动任何应用程序代码或JSP页面，由Servlet进行动态调用。通过在请求/响应链中使用过滤器，可以对应用程序（而不是以任何方式替代）的Servlet或JSP页面提供的核心处理进行补充，而不破坏Servlet或JSP页面的功能。由于是纯Java实现，所以Servlet过滤器具有跨平台的可重用性，使得它们很容易地被部署到任何符合Servlet规范的JEE环境中。

Netty的Channel过滤器实现原理与Servlet Filter机制一致，它将Channel的数据管道抽象为ChannelPipeline，消息在ChannelPipeline中流动和传递。ChannelPipeline持有I/O事件拦截器ChannelHandler的链表，由ChannelHandler对I/O事件进行拦截和处理，可以方便地通过新增和删除ChannelHandler来实现不同的业务逻辑定制，不需要对已有的ChannelHandler进行修改，能够实现对修改封闭和对扩展的支持。ChannelPipeline是ChannelHandler的容器，它负责ChannelHandler的管理和事件拦截与调度：

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图3 ChannelPipeline对事件流的拦截和处理流

Netty中的事件分为inbound事件和outbound事件。inbound事件通常由I/O线程触发，例如TCP链路建立事件、链路关闭事件、读事件、异常通知事件等。

Outbound事件通常是由用户主动发起的网络I/O操作，例如用户发起的连接操作、绑定操作、消息发送等操作。ChannelHandler类似于Servlet的Filter过滤器，负责对I/O事件或者I/O操作进行拦截和处理，它可以选择性地拦截和处理自己感兴趣的事件，也可以透传和终止事件的传递。基于ChannelHandler接口，用户可以方便地进行业务逻辑定制，例如打印日志、统一封装异常信息、性能统计和消息编解码等。

4、EventLoop：Netty的NioEventLoop并不是一个纯粹的I/O线程，它除了负责I/O的读写之外，还兼顾处理以下两类任务：

普通Task：通过调用NioEventLoop的execute(Runnable task)方法实现，Netty有很多系统Task，创建它们的主要原因是：当I/O线程和用户线程同时操作网络资源时，为了防止并发操作导致的锁竞争，将用户线程的操作封装成Task放入消息队列中，由I/O线程负责执行，这样就实现了局部无锁化。

定时任务：通过调用NioEventLoop的schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit)方法实现。

Netty的线程模型并不是一成不变的，它实际取决于用户的启动参数配置。通过设置不同的启动参数，Netty可以同时支持Reactor单线程模型、多线程模型和主从Reactor多线层模型。它的工作原理如下所示：

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图4 Netty的线程模型

通过调整线程池的线程个数、是否共享线程池等方式，Netty的Reactor线程模型可以在单线程、多线程和主从多线程间切换，这种灵活的配置方式可以最大程度地满足不同用户的个性化定制。

为了尽可能地提升性能，Netty在很多地方进行了无锁化的设计，例如在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问题。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列—多个工作线程的模型性能更优。它的设计原理如下图所示：

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图5 NioEventLoop串行执行ChannelHandler

5、Future和Promise：在Netty中，所有的I/O操作都是异步的，这意味着任何I/O调用都会立即返回，而不是像传统BIO那样同步等待操作完成。异步操作会带来一个问题：调用者如何获取异步操作的结果？ChannelFuture就是为了解决这个问题而专门设计的。下面我们一起看它的原理。ChannelFuture有两种状态：uncompleted和completed。当开始一个I/O操作时，一个新的ChannelFuture被创建，此时它处于uncompleted状态——非失败、非成功、非取消，因为I/O操作此时还没有完成。一旦I/O操作完成，ChannelFuture将会被设置成completed，它的结果有如下三种可能：

操作成功。

操作失败。

操作被取消。

ChannelFuture的状态迁移图如下所示：

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图6 ChannelFuture状态迁移图

Promise是可写的Future，Future自身并没有写操作相关的接口，Netty通过Promise对Future进行扩展，用于设置I/O操作的结果，它的接口定义如下：

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图7 Netty的Promise接口定义

关键流程学习

需要重点掌握Netty服务端和客户端的创建，以及创建过程中使用到的核心类库和API、以及消息的发送和接收、消息的编解码。

Netty服务端创建流程如下：

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图8 Netty服务端创建流程

Netty客户端创建流程如下：

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图9 Netty客户端创建流程

Netty项目实践

实践主要分为两类，如果项目中需要用到Netty，则直接在项目中应用，通过实践来不断提升对Netty的理解和掌握。如果暂时使用不到，则可以通过学习一些开源的RPC或者服务框架，看这些框架是怎么集成并使用Netty的。以gRPC Java版为例，我们一起看下gRPC是如何使用Netty的。

gRPC服务端

gRPC通过对Netty HTTP/2的封装，向用户屏蔽底层RPC通信的协议细节，Netty HTTP/2服务端的创建流程如下：

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图10 Netty HTTP/2服务端创建流程

服务端HTTP/2消息的读写主要通过gRPC的NettyServerHandler实现，它的类继承关系如下所示：

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图11 gRPC NettyServerHandler类继承关系

从类继承关系可以看出，NettyServerHandler主要负责HTTP/2协议消息相关的处理，例如HTTP/2请求消息体和消息头的读取、Frame消息的发送、Stream状态消息的处理等，相关接口定义如下：

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图12 NettyServerHandler处理HTTP/2协议消息相关接口

gRPC客户端

gRPC的客户端调用主要包括基于Netty的HTTP/2客户端创建、客户端负载均衡、请求消息的发送和响应接收处理四个流程,gRPC的客户端调用总体流程如下图所示:

gRPC的客户端调用总体流程如下图所示：

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图13 gRPC客户端总体调用流程

gRPC的客户端调用流程如下：

客户端Stub(GreeterBlockingStub)调用sayHello(request)，发起RPC调用。

通过DnsNameResolver进行域名解析，获取服务端的地址信息（列表），随后使用默认的LoadBalancer策略，选择一个具体的gRPC服务端实例。

如果与路由选中的服务端之间没有可用的连接，则创建NettyClientTransport和NettyClientHandler，发起HTTP/2连接。

对请求消息使用PB（Protobuf）做序列化，通过HTTP/2 Stream发送给gRPC服务端。

接收到服务端响应之后，使用PB（Protobuf）做反序列化。

回调GrpcFuture的set(Response)方法，唤醒阻塞的客户端调用线程，获取RPC响应。

需要指出的是，客户端同步阻塞RPC调用阻塞的是调用方线程（通常是业务线程），底层Transport的I/O线程（Netty的NioEventLoop）仍然是非阻塞的。

线程模型

gRPC服务端线程模型整体上可以分为两大类：

网络通信相关的线程模型，基于Netty4.1的线程模型实现。

服务接口调用线程模型，基于JDK线程池实现。

gRPC服务端线程模型和交互图如下所示：

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图14 gRPC服务端线程模型

其中，HTTP/2服务端创建、HTTP/2请求消息的接入和响应发送都由Netty负责，gRPC消息的序列化和反序列化、以及应用服务接口的调用由gRPC的SerializingExecutor线程池负责。

gRPC客户端的线程主要分为三类：

业务调用线程

客户端连接和I/O读写线程

请求消息业务处理和响应回调线程

gRPC客户端线程模型工作原理如下图所示（同步阻塞调用为例）：

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图15 客户端调用线程模型

客户端调用主要涉及的线程包括：

应用线程，负责调用gRPC服务端并获取响应，其中请求消息的序列化由该线程负责。

客户端负载均衡以及Netty Client创建，由grpc-default-executor线程池负责。

HTTP/2客户端链路创建、网络I/O数据的读写，由Netty NioEventLoop线程负责。

响应消息的反序列化由SerializingExecutor负责，与服务端不同的是，客户端使用的是ThreadlessExecutor，并非JDK线程池。

SerializingExecutor通过调用responseFuture的set(value)，唤醒阻塞的应用线程，完成一次RPC调用。

gRPC采用的是网络I/O线程和业务调用线程分离的策略，大部分场景下该策略是最优的。但是，对于那些接口逻辑非常简单，执行时间很短，不需要与外部网元交互、访问数据库和磁盘，也不需要等待其它资源的，则建议接口调用直接在Netty /O线程中执行，不需要再投递到后端的服务线程池。避免线程上下文切换，同时也消除了线程并发问题。

例如提供配置项或者接口，系统默认将消息投递到后端服务调度线程，但是也支持短路策略，直接在Netty的NioEventLoop中执行消息的序列化和反序列化、以及服务接口调用。

减少锁竞争优化：当前gRPC的线程切换策略如下：

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图16 gRPC线程锁竞争

优化之后的gRPC线程切换策略：

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图17 gRPC线程锁竞争优化

通过线程绑定技术（例如采用一致性hash做映射）,将Netty的I/O线程与后端的服务调度线程做绑定，1个I/O线程绑定一个或者多个服务调用线程，降低锁竞争，提升性能。

Netty故障定位技巧

尽管Netty应用广泛，非常成熟，但是由于对Netty底层机制不太了解，用户在实际使用中还是会经常遇到各种问题，大部分问题都是业务使用不当导致的。Netty使用者需要学习Netty的故障定位技巧，以便出了问题能够独立、快速的解决。‘’

接收不到消息

如果业务的ChannelHandler接收不到消息，可能的原因如下：

业务的解码ChannelHandler存在BUG，导致消息解码失败，没有投递到后端。

业务发送的是畸形或者错误码流（例如长度错误），导致业务解码ChannelHandler无法正确解码出业务消息。

业务ChannelHandler执行了一些耗时或者阻塞操作，导致Netty的NioEventLoop被挂住，无法读取消息。

执行业务ChannelHandler的线程池队列积压，导致新接收的消息在排队，没有得到及时处理。

对方确实没有发送消息。

定位策略如下：

在业务的首个ChannelHandler的channelRead方法中打断点调试，看是否读取到消息。

在ChannelHandler中添加LoggingHandler，打印接口日志。

查看NioEventLoop线程状态，看是否发生了阻塞。

通过tcpdump抓包看消息是否发送成功。

内存泄漏

通过jmap -dump:format=b,file=xx pid命令Dump内存堆栈，然后使用MemoryAnalyzer工具对内存占用进行分析，查找内存泄漏点，然后结合代码进行分析，定位内存泄漏的具体原因，示例如下所示：

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图18 通过MemoryAnalyzer工具分析内存堆栈

性能问题

如果出现性能问题，首先需要确认是Netty问题还是业务问题，通过jstack命令或者jvisualvm工具打印线程堆栈，按照线程CPU使用率进行排序（top -Hp命令采集），看线程在忙什么。通常如果采集几次都发现Netty的NIO线程堆栈停留在select操作上，说明I/O比较空闲，性能瓶颈不在Netty，需要继续分析看是否是后端的业务处理线程存在性能瓶颈:

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