Netty 是如何支撐高效能網路通訊的？
作為一個高效能的 NIO 通訊框架，Netty 被廣泛應用於大資料處理、網際網路訊息中介軟體、遊戲和金融行業等。大多數應用場景對底層的通訊框架都有很高的效能要求，作為綜合性能最高的 NIO 框架 之一，Netty 可以完全滿足不同領域對高效能通訊的需求。本文我們將從架構層對 Netty 的高效能設計和關鍵程式碼實現進行剖析，看 Netty 是如何支撐高效能網路通訊的。
RPC 呼叫效能模型分析
傳統 RPC 呼叫效能差的原因
網路傳輸方式問題
傳統的 RPC 框架或者基於 RMI 等方式的遠端過程呼叫採用了同步阻塞 I/O，當客戶端的併發壓力或者網路時延增大之後，同步阻塞 I/O 會由於頻繁的 wait 導致 I/O 執行緒經常性的阻塞，由於執行緒無法高效的工作，I/O 處理能力自然下降。
採用 BIO 通訊模型的服務端，通常由一個獨立的 Acceptor 執行緒負責監聽客戶端的連線，接收到客戶端連線之後，為其建立一個新的執行緒處理請求訊息，處理完成之後，返回應答訊息給客戶端，執行緒銷燬，這就是典型的 “一請求，一應答” 模型。該架構最大的問題就是不具備彈性伸縮能力，當併發訪問量增加後，服務端的執行緒個數和併發訪問數成線性正比，由於執行緒是 Java 虛擬機器 非常寶貴的系統資源，當執行緒數膨脹之後，系統的效能急劇下降，隨著併發量的繼續增加，可能會發生控制代碼溢位、執行緒堆疊溢位等問題，並導致伺服器最終宕機。
序列化效能差
Java 序列化存在如下幾個典型問題：
1.Java 序列化機制是 Java 內部的一 種物件編解碼技術，無法跨語言使用。例如對於異構系統之間的對接，Java 序列化後的碼流需要能夠通過其他語言反序列化成原始物件，這很難支援。2.相比於其他開源的序列化框架，Java 序列化後的碼流太大，無論是網路傳輸還是持久化到磁碟，都會導致額外的資源佔用。3.序列化效能差，資源佔用率高( 主要是 CPU 資源佔用高 )。
執行緒模型問題
由於採用同步阻塞 I/O，這會導致每個 TCP 連線 都佔用 1 個執行緒，由於執行緒資源是 JVM 虛擬機器 非常寶貴的資源，當 I/O 讀寫阻塞導致執行緒無法及時釋放時，會導致系統性能急劇下降，嚴重的甚至會導致虛擬機器無法建立新的執行緒。
IO 通訊效能三原則
儘管影響 I/O 通訊效能的因素非常多，但是從架構層面看主要有三個要素。
1.傳輸：用什麼樣的通道將資料傳送給對方。可以選擇 BIO、NIO 或者 AIO，I/O 模型 在很大程度上決定了通訊的效能；2.協議：採用什麼樣的通訊協議，HTTP 等公有協議或者內部私有協議。協議的選擇不同，效能也不同。相比於公有協議，內部私有協議的效能通常可以被設計得更優；3.執行緒模型：資料報如何讀取？讀取之後的編解碼在哪個執行緒進行，編解碼後的訊息如何派發，Reactor 執行緒模型的不同，對效能的影響也非常大。
非同步非阻塞通訊
在 I/O 程式設計過程中，當需要同時處理多個客戶端接入請求時，可以利用多執行緒或者 I/O 多路複用技術進行處理。I/O 多路複用技術通過把多個 I/O 的阻塞複用到同一個 select 的阻塞上，從而使得系統在單執行緒的情況下可以同時處理多個客戶端請求。與傳統的多執行緒 / 多程序模型比，I/O 多路複用的最大優勢是系統開銷小，系統不需要建立新的額外程序或者執行緒，也不需要維護這些程序和執行緒的執行，降低了系統的維護工作量，節省了系統資源。
JDK1.4 提供了對非阻塞 I/O 的支援，JDK1.5 使用 epoll 替代了傳統的 select / poll，極大地提升了 NIO 通訊 的效能。
與 Socket 和 ServerSocket 類相對應，NIO 也提供了 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 兩種不同的套接字通道實現。這兩種新增的通道都支援阻塞和非阻塞兩種模式。阻塞模式使用非常簡單，但是效能和可靠性都不好，非阻塞模式則正好相反。開發人員一般可以根據自己的需要來選擇合適的模式，一般來說，低負載、低併發的應用程式可以選擇同步阻塞 I/O 以降低程式設計複雜度。但是對於高負載、高併發的網路應用，需要使用 NIO 的非阻塞模式進行開發。
Netty 的 I/O 執行緒 NioEventLoop 由於聚合了多路複用器Selector，可以同時併發處理成百上千個客戶端 SocketChannel。由於讀寫操作都是非阻塞的，這就可以充分提升 I/O 執行緒 的執行效率，避免由頻繁的 I/O 阻塞 導致的執行緒掛起。另外，由於 Netty 採用了非同步通訊模式，一個 I/O 執行緒 可以併發處理 N 個客戶端連線和讀寫操作，這從根本上解決了傳統 同步阻塞 I/O “ 一連線，一執行緒 ” 模型，架構的效能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。
高效的 Reactor 執行緒模型
常用的 Reactor 執行緒模型有三種，分別如下：
1.Reactor 單執行緒模型；2.Reactor 多執行緒模型；3.主從 Reactor 多執行緒模型。
Reactor 單執行緒模型，指的是所有的 I/O 操作都在同一個 NIO 執行緒上面完成，NIO 執行緒的職責如下：
1.作為 NIO 服務端，接收客戶端的 TCP 連線；2.作為 NIO 客戶端，向服務端發起 TCP 連線；3.讀取通訊對端的請求或者應答訊息；4.向通訊對端傳送訊息請求或者應答訊息。
由於 Reactor 模式使用的是非同步非阻塞 I/O，所有的 I/O 操作 都不會導致阻塞，理論上一個執行緒可以獨立處理所有 I/O 相關的操作。從架構層面看，一個 NIO 執行緒確實可以完成其承擔的職責。例如，通過 Acceptor 接收客戶端的 TCP 連線請求訊息，鏈路建立成功之後，通過 Dispatch 將對應的 ByteBuffer 派發到指定的 Handler 上進行訊息解碼。使用者 Handler 可以通過 NIO 執行緒 將訊息傳送給客戶端。
對於一些小容量應用場景，可以使用單執行緒模型，但是對於高負載、大併發的應用卻不合適，主要原因如下。
1.一個 NIO 執行緒 同時處理成百上千的鏈路，效能上無法支撐。即便 NIO 執行緒 的 CPU 負荷 達到 100%，也無法滿足海量訊息的編碼，解碼、讀取和傳送；2.當 NIO 執行緒 負載過重之後，處理速度將變慢，這會導致大量客戶端連線超時，超時之後往往會進行重發，這更加重了 NIO 執行緒 的負載，最終會導致大量訊息積壓和處理超時，NIO 執行緒會成為系統的效能瓶頸；3.可靠性問題。一旦 NIO 執行緒意外跑飛，或者進入死迴圈，會導致整個系統通訊模組不可用，不能接收和處理外部訊息，造成節點故障。
為了解決這些問題，演進出了Reactor 多執行緒模型，下面我們看一下 Reactor 多執行緒模型。
Rector 多執行緒模型與單執行緒模型最大的區別就是有一組 NIO 執行緒 處理 I/O 操作，它的特點如下。
1.有一個專門的 NIO 執行緒—— Acceptor 執行緒 用於監聽服務埠，接收客戶端的 TCP 連線請求；2.網路 IO 操作—— 讀、寫等由一個 NIO 執行緒池 負責，執行緒池可以採用標準的 JDK 執行緒池 實現，它包含一個任務佇列和 N 個可用的執行緒，由這些 NIO 執行緒 負責訊息的讀取、解碼、編碼和傳送；3.1 個 NIO 執行緒 可以同時處理 N 條鏈路，但是 1 個鏈路只對應 1 個 NIO 執行緒，以防止發生併發操作問題。
在絕大多數場景下，Reactor 多執行緒模型 都可以滿足效能需求，但是，在極特殊應用場景中，一個 NIO 執行緒負責監聽和處理所有的客戶端連線可能會存在效能問題。例如百萬客戶端併發連線，或者服務端需要對客戶端的握手訊息進行安全認證，認證本身非常損耗效能。在這類場景下，單獨一個 Acceptor 執行緒 可能會存在效能不足問題，為了解決效能問題，產生了第三種 Reactor 執行緒模型 ——主從 Reactor 多執行緒模型。
主從 Reactor 執行緒模型的特點是，服務端用於接收客戶端連線的不再是個單執行緒的連線處理 Acceptor，而是一個獨立的 Acceptor 執行緒池。Acceptor 接收到客戶端 TCP 連線請求 處理完成後 ( 可能包含接入認證等 )，將新建立的 SocketChannel 註冊到 I/O 處理執行緒池 的某個 I/O 執行緒 上，由它負責 SocketChannel 的讀寫和編解碼工作。Acceptor 執行緒池 只用於客戶端的登入、握手和安全認證，一旦鏈路建立成功，就將鏈路註冊到 I/O 處理執行緒池的 I/O 執行緒 上，每個 I/O 執行緒 可以同時監聽 N 個鏈路，對鏈路產生的 IO 事件 進行相應的 訊息讀取、解碼、編碼及訊息傳送等操作。
利用主從 Reactor 執行緒模型，可以解決 1 個 Acceptor 執行緒 無法有效處理所有客戶端連線的效能問題。因此，Netty 官方也推薦使用該執行緒模型。
事實上，Netty 的執行緒模型並非固定不變，通過在啟動輔助類中建立不同的 EventLoopGroup 例項 並進行適當的引數配置，就可以支援上述三種 Reactor 執行緒模型。可以根據業務場景的效能訴求，選擇不同的執行緒模型。
Netty 單執行緒模型服務端程式碼示例如下：
EventLoopGroup reactor = new NioEventLoopGroup(1); ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(reactor, reactor) .channel(NioServerSocketChannel.class) ......
Netty 多執行緒模型程式碼示例如下：
EventLoopGroup acceptor = new NioEventLoopGroup(1); EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(acceptor, ioGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) ......
Netty 主從多執行緒模型程式碼示例如下：
EventLoopGroup acceptorGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup(); ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); bootstrap.group(acceptorGroup, ioGroup) .channel(NioServerSocketChannel.class) ......
無鎖化的序列設計
在大多數場景下，並行多執行緒處理可以提升系統的併發效能。但是，如果對於共享資源的併發訪問處理不當，會帶來嚴重的鎖競爭，這最終會導致效能的下降。為了儘可能地避免鎖競爭帶來的效能損耗，可以通過序列化設計，即訊息的處理儘可能在同一個執行緒內完成，期間不進行執行緒切換，這樣就避免了多執行緒競爭和同步鎖。
為了儘可能提升效能，Netty 對訊息的處理採用了序列無鎖化設計，在 I/O 執行緒 內部進行序列操作，避免多執行緒競爭導致的效能下降。Netty 的序列化設計工作原理圖如下圖所示。
Netty 的 NioEventLoop 讀取到訊息之後，直接呼叫 ChannelPipeline 的 fireChannelRead(Object msg)，只要使用者不主動切換執行緒，一直會由 NioEventLoop 呼叫到 使用者的 Handler，期間不進行執行緒切換。這種序列化處理方式避免了多執行緒操作導致的鎖的競爭，從效能角度看是最優的。
零拷貝
Netty 的“ 零拷貝 ”主要體現在如下三個方面。
第一種情況。Netty 的接收和傳送 ByteBuffer 採用堆外直接記憶體 (DIRECT BUFFERS) 進行 Socket 讀寫，不需要進行位元組緩衝區的二次拷貝。如果使用傳統的 堆記憶體(HEAP BUFFERS) 進行 Socket 讀寫，JVM 會將 堆記憶體 Buffer 拷貝一份到 直接記憶體 中，然後才寫入 Socket。相比於堆外直接記憶體，訊息在傳送過程中多了一次緩衝區的記憶體拷貝。
下面我們繼續看第二種“ 零拷貝 ” 的實現 CompositeByteBuf，它對外將多個 ByteBuf 封裝成一個 ByteBuf，對外提供統一封裝後的 ByteBuf 介面。CompositeByteBuf 實際就是個 ByteBuf 的裝飾器，它將多個 ByteBuf 組合成一個集合，然後對外提供統一的 ByteBuf 介面，新增 ByteBuf，不需要做記憶體拷貝。
第三種“ 零拷貝 ” 就是檔案傳輸，Netty 檔案傳輸類 DefaultFileRegion 通過 transferTo() 方法 將檔案傳送到目標 Channel 中。很多作業系統直接將檔案緩衝區的內容傳送到目標 Channel 中，而不需要通過迴圈拷貝的方式，這是一種更加高效的傳輸方式，提升了傳輸效能，降低了 CPU 和記憶體佔用，實現了檔案傳輸的 “ 零拷貝 ” 。
記憶體池
隨著 JVM 虛擬機器 和 JIT 即時編譯技術 的發展，物件的分配和回收是個非常輕量級的工作。但是對於緩衝區 Buffer，情況卻稍有不同，特別是對於堆外直接記憶體的分配和回收，是一件耗時的操作。為了儘量重用緩衝區，Netty 提供了基於記憶體池的緩衝區重用機制。ByteBuf 的子類中提供了多種 PooledByteBuf 的實現，基於這些實現 Netty 提供了多種記憶體管理策略，通過在啟動輔助類中配置相關引數，可以實現差異化的定製。