让 Netty “榨干”你的CPU

发表于 2年以前 | 总阅读数：377 次

大家好， Netty 技术作为卷王必争之地，竞争激烈。这次悟空来助攻一波，送 5 本 Netty 的书~ 活动规则可以拉到文末~

在开始了解Netty是什么之前，我们先来回顾一下，如果需要实现一个客户端与服务端通信的程序，使用传统的IO编程，应该如何来实现？

IO编程

我们简化一下场景：客户端每隔两秒发送一个带有时间戳的“hello world”给服务端，服务端收到之后打印它。

在传统的IO模型中，每个连接创建成功之后都需要由一个线程来维护，每个线程都包含一个while死循环，那么1万个连接对应1万个线程，继而有1万个while死循环，这就带来如下几个问题。

线程资源受限：线程是操作系统中非常宝贵的资源，同一时刻有大量的线程处于阻塞状态，是非常严重的资源浪费，操作系统耗不起。
线程切换效率低下：单机CPU核数固定，线程爆炸之后操作系统频繁进行线程切换，应用性能急剧下降。
除了以上两个问题，在IO编程中，我们看到数据读写是以字节流为单位的。

为了解决这3个问题，JDK在1.4版本之后提出了NIO。

NIO编程

在NIO编程模型中，新来一个连接不再创建一个新线程，而是可以把这个连接直接绑定到某个固定的线程，然后这个连接所有的读写都由这个线程来负责，那么它是怎么做到的？我们用下图来对比一下IO与NIO。

如上图所示，在IO模型中，一个连接来了，会创建一个线程，对应一个while死循环，死循环的目的就是不断监测这个连接上是否有数据可以读。在大多数情况下，1万个连接里面同一时刻只有少量的连接有数据可读，因此，很多while死循环都白白浪费掉了，因为读不出数据。

而在NIO模型中，这么多while死循环转换为一个死循环，这个死循环由一个线程控制，那么NIO又是如何做到一个线程一个while死循环就能监测1万个连接是否有数据可读的呢？

这就是NIO模型中Selector的作用，一个连接来了之后，不会创建一个while死循环去监听是否有数据可读，而是直接把这条连接注册到Selector上。然后，通过检查这个Selector，就可以批量监测出有数据可读的连接，进而读取数据。下面我们举一个生活中非常简单的例子来说明IO与NIO的区别。

在一家幼儿园里，小朋友有上厕所的需求，小朋友都太小以至于你要问他要不要上厕所，他才会告诉你。幼儿园一共有100个小朋友，有两种方案可以解决小朋友上厕所的问题。

1.每个小朋友都配一个老师。每个老师都隔段时间询问小朋友是否要上厕所。如果要上，就领他去厕所，100个小朋友就需要100个老师来询问，并且每个小朋友上厕所的时候都需要一个老师领着他去，这就是IO模型，一个连接对应一个线程。

2.所有的小朋友都配同一个老师。这个老师隔段时间询问所有的小朋友是否有人要上厕所，然后每一时刻把所有要上厕所的小朋友批量领到厕所，这就是NIO模型。所有小朋友都注册到同一个老师，对应的就是所有的连接都注册到同一个线程，然后批量轮询。

这就是NIO模型解决线程资源受限问题的方案。在实际开发过程中，我们会开多个线程，每个线程都管理着一批连接，相对于IO模型中一个线程管理一个连接，消耗的线程资源大幅减少。

由于NIO模型中线程数量大大降低，因此线程切换效率也大幅度提高。

IO读写是面向流的，一次性只能从流中读取一字节或者多字节，并且读完之后流无法再读取，需要自己缓存数据。而NIO的读写是面向Buffer的，可以随意读取里面任何字节数据，不需要自己缓存数据，只需要移动读写指针即可。

简单讲完了JDK NIO的解决方案之后，接下来我们使用NIO方案替换掉IO方案。先来看看，如果用JDK原生的NIO来实现服务端，该怎么做。

前方高能预警：以下代码可能会让你感觉极度不适，如有不适，请跳过。

NIOServer.java

/**
 * @author 闪电侠
 */
public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector serverSelector = Selector.open();
        Selector clientSelector = Selector.open();

        new Thread(() -> {
            try {
                // 对应IO编程中的服务端启动
                ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
                listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8000));
                listenerChannel.configureBlocking(false);
                listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

                while (true) {
                    // 监测是否有新连接，这里的1指阻塞的时间为 1ms
                    if (serverSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();

                            if (key.isAcceptable()) {
                                try {
                                    // （1）每来一个新连接，不需要创建一个线程，而是直接注册到clientSelector
                                    SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                                    clientChannel.configureBlocking(false);
                                    clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                }
                            }

                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {
            }

        }).start();


        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    // （2）批量轮询哪些连接有数据可读，这里的1指阻塞的时间为 1ms
                    if (clientSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();

                            if (key.isReadable()) {
                                try {
                                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                    // （3）面向Buffer
                                    clientChannel.read(byteBuffer);
                                    byteBuffer.flip();
                                    System.out.println(Charset.defaultCharset().newDecoder(). decode(byteBuffer)
                                            .toString());
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                }
                            }

                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {
            }
        }).start();


    }
}

相信大部分没有接触过NIO的读者应该会直接跳过代码来到这一行：原来使用JDK原生NIO的API实现一个简单的服务端通信程序如此复杂!

我们还是先对照NIO来解释一下核心思路。

NIO模型中通常会有两个线程，每个线程都绑定一个轮询器Selector。在这个例子中，serverSelector负责轮询是否有新连接，clientSelector负责轮询连接是否有数据可读。
服务端监测到新连接之后，不再创建一个新线程，而是直接将新连接绑定到clientSelector上，这样就不用IO模型中的1万个while循环死等，参见（1）。
clientSelector被一个while死循环包裹着，如果在某一时刻有多个连接有数据可读，那么通过clientSelector.select(1)方法可以轮询出来，进而批量处理。
数据的读写面向Buffer。

其他细节部分，因为实在是太复杂，所以笔者不再多讲，读者也不用对代码的细节深究到底。总之，强烈不建议直接基于JDK原生NIO来进行网络开发，下面是笔者总结的原因。

JDK的NIO编程需要了解很多概念，编程复杂，对NIO入门非常不友好，编程模型不友好，ByteBuffer的API简直“反人类”。
对NIO编程来说，一个比较合适的线程模型能充分发挥它的优势，而JDK没有实现，需要自己实现，就连简单的自定义协议拆包都要自己实现。
JDK的NIO底层由Epoll实现，该实现饱受诟病的空轮询Bug会导致CPU占用率飙升至100%。
项目庞大之后，自行实现的NIO很容易出现各类Bug，维护成本较高，上面这些代码笔者都不能保证没有Bug。

正因为如此，客户端代码这里就省略了，读者可以直接使用IOClient.java与NIOServer.java通信。

JDK的NIO犹如带刺的玫瑰，虽然美好，让人向往，但是使用不当会让你抓耳挠腮，痛不欲生，正因为如此，Netty横空出世！

Netty编程

Netty到底是何方神圣？

用一句简单的话来说就是：Netty封装了JDK的NIO，让你用得更方便，不用再写一大堆复杂的代码了。

用官方正式的话来说就是：Netty是一个异步事件驱动的网络应用框架，用于快速开发可维护的高性能服务端和客户端。

下面是笔者总结的使用Netty而不使用JDK原生NIO的原因。

使用JDK原生NIO需要了解太多概念，编程复杂，一不小心就Bug横飞。
Netty底层IO模型随意切换，而这一切只需要做微小的改动，改改参数，Netty可以直接从NIO模型变身为IO模型。
Netty自带的拆包/粘包、异常检测等机制让你从NIO的繁重细节中脱离出来，只需要关心业务逻辑即可。
Netty解决了JDK很多包括空轮询在内的Bug。
Netty底层对线程、Selector做了很多细小的优化，精心设计的Reactor线程模型可以做到非常高效的并发处理。
自带各种协议栈，让你处理任何一种通用协议都几乎不用亲自动手。
Netty社区活跃，遇到问题随时邮件列表或者Issue。
Netty已经历各大RPC框架、消息中间件、分布式通信中间件线上的广泛验证，健壮性无比强大。

这些原因看不懂没有关系，在后续的章节中我们都可以学到。接下来我们用Netty来重新实现一下本章开篇的功能吧！

首先引入Maven依赖，案例后续Netty都基于4.1.6.Final版本。

 <dependency>
        <groupId>io.netty</groupId>
        <artifactId>netty-all</artifactId>
        <version>4.1.6.Final</version>
    </dependency>

然后是服务端实现部分。

NettyServer.java

/**
 * @author 闪电侠
 */
public class NettyServer {
    public static void main(String[] args) {
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

        NioEventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        NioEventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        serverBootstrap
                .group(boss, worker)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() {
                            @Override
                            protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
                                System.out.println(msg);
                            }
                        });
                    }
                })
                .bind(8000);
    }
}

这么一小段代码就实现了我们前面NIO编程中的所有功能，包括服务端启动、接收新连接、打印客户端传来的数据，怎么样？是不是比JDK原生NIO编程简洁许多？

初学Netty的时候，由于大部分人对NIO编程缺乏经验，因此，将Netty里的概念与IO模型结合起来可能更好理解。

boss对应IOServer.java中的负责接收新连接的线程，主要负责创建新连接。
worker对应IOServer.java中的负责读取数据的线程，主要用于读取数据及业务逻辑处理。

剩下的逻辑笔者在后面的内容中会详细分析，读者可以先把这段代码复制到自己的IDE里，然后运行main函数。

下面是客户端NIO的实现部分。

NettyClient.java

/**
 * @author 闪电侠
 */
public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();

        bootstrap.group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(Channel ch) {
                        ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                    }
                });

        Channel channel = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8000).channel();

        while (true) {
            channel.writeAndFlush(new Date() + ": hello world!");
            Thread.sleep(2000);
        }
    }
}

在客户端程序中，group对应了IOClient.java中main函数起的线程，剩下的逻辑在后面的内容中会详细分析，现在你要做的事情就是把这段代码复制到你的IDE里，然后运行main函数，最后回到NettyServer.java的控制台，你会看到效果。

使用Netty之后是不是觉得整个世界都变美好了？一方面，Netty对NIO封装得如此完美，写出来的代码非常优雅；另一方面，使用Netty之后，网络通信的性能问题几乎不用操心，尽情地让Netty“榨干”你的CPU吧。

以上内容节选自《跟闪电侠学 Netty：Netty 即时聊天实战与底层原理》一书！

目前市面上对初学者友好的Netty资料较少，网络上大多数技术博客都是一堆零散的知识点集合，无法串成一条线形成一个体系。

本书作者俞超老师（闪电侠）在多年的Netty实战、调优、“踩坑”过程中积累了丰富的经验，持续在网络上分享的相关博客、视频等有百万+阅读量，并得到网友一致好评！

为了将这部分经验系统地分享给大家，帮助大家提升核心竞争力，俞超老师特地将Netty底层原理相关知识进行系统梳理，写作了此书。