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Netty中的线程模型

1. Netty的线程模型

image.png

模型解释:

  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

2. Netty模块组件

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。
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。

2.4 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 。

2.5 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

2.6 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。

2.7 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。

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

2.8 ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息,同时关联一个 ChannelHandler 对象

2.9 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,它们的组成关系如下
image.png

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。

3. ByteBuf详解

从结构上来说,ByteBuf 由一串字节数组构成。数组中每个字节用来存放信息。

ByteBuf 提供了两个索引,一个用于读取数据,一个用于写入数据。这两个索引通过在字节数组中移动,来定位需要读或者写信息的位置。

当从 ByteBuf 读取时,它的 readerIndex(读索引)将会根据读取的字节数递增。
同样,当写 ByteBuf 时,它的 writerIndex 也会根据写入的字节数进行递增。

image.png

需要注意的是极限的情况是 readerIndex 刚好读到了 writerIndex 写入的地方。
如果 readerIndex 超过了 writerIndex 的时候,Netty 会抛出 IndexOutOf-BoundsException异常。


标题:Netty中的线程模型
作者:MingGH
地址:https://runnable.run/articles/2021/03/26/1616751255774.html