Netty 线程模型
Netty高并发高性能架构设计精髓
- 主从Reactor线程模型
- NIO多路复用非阻塞
- 无锁串行化设计思想
- 支持高性能序列化协议
- 零拷贝(直接内存的使用)
- ByteBuf内存池设计
- 灵活的TCP参数配置能力
- 并发优化
无锁串行化设计思想
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。为了尽可能的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。NIO的多路复用就是一种无锁串行化的设计思想（理解下Redis和Netty的线程模型），为了尽可能提升性能，Netty采用了串行无锁化设计，在IO线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。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”模型性能更优。
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。
直接内存
直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域，某些情况下这部分内存也会被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现。Java里用DirectByteBuffer可以分配一块直接内存（堆外内存），元空间对应的内存也叫作直接内存，它们对应的都是机器的物理内存。
测试代码：
package com.firechou.test;
import java.nio.ByteBuffer;
/**
* 直接内存与堆内存的区别
*/
public class DirectMemoryTest {
public static void heapAccess() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
//分配堆内存
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1000);
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
for (int j = 0; j < 200; j++) {
buffer.putInt(j);
}
buffer.flip();
for (int j = 0; j < 200; j++) {
buffer.getInt();
}
buffer.clear();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("堆内存访问:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
public static void directAccess() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
//分配直接内存
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1000);
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
for (int j = 0; j < 200; j++) {
buffer.putInt(j);
}
buffer.flip();
for (int j = 0; j < 200; j++) {
buffer.getInt();
}
buffer.clear();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("直接内存访问:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
public static void heapAllocate() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
ByteBuffer.allocate(100);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("堆内存申请:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
public static void directAllocate() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
ByteBuffer.allocateDirect(100);
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("直接内存申请:" + (endTime - startTime) + "ms");
}
public static void main(String args[]) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
heapAccess();
directAccess();
}
System.out.println();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
heapAllocate();
directAllocate();
}
}
}
// 运行结果
堆内存访问:70ms
直接内存访问:44ms
堆内存访问:40ms
直接内存访问:28ms
堆内存访问:67ms
直接内存访问:55ms
堆内存访问:57ms
直接内存访问:41ms
堆内存访问:59ms
直接内存访问:36ms
堆内存访问:48ms
直接内存访问:32ms
堆内存访问:44ms
直接内存访问:26ms
堆内存访问:38ms
直接内存访问:25ms
堆内存访问:44ms
直接内存访问:29ms
堆内存访问:45ms
直接内存访问:26ms
堆内存申请:14ms
直接内存申请:51ms
堆内存申请:13ms
直接内存申请:40ms
堆内存申请:75ms
直接内存申请:55ms
堆内存申请:2ms
直接内存申请:26ms
堆内存申请:2ms
直接内存申请:83ms
堆内存申请:1ms
直接内存申请:34ms
堆内存申请:5ms
直接内存申请:34ms
堆内存申请:2ms
直接内存申请:38ms
堆内存申请:7ms
直接内存申请:37ms
堆内存申请:7ms
直接内存申请:35ms
从程序运行结果看出直接内存申请较慢，但访问效率高。在java虚拟机实现上，本地IO一般会直接操作直接内存（直接内存=>系统调用=>硬盘/网卡），而非直接内存则需要二次拷贝（堆内存=>直接内存=>系统调用=>硬盘/网卡）。
直接内存分配源码分析：
public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {
return new DirectByteBuffer(capacity);
}
DirectByteBuffer(int cap) { // package-private
super(-1, 0, cap, cap);
boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
int ps = Bits.pageSize();
long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
//判断是否有足够的直接内存空间分配，可通过-XX:MaxDirectMemorySize=<size>参数指定直接内存最大可分配空间，如果不指定默认为最大堆内存大小，
//在分配直接内存时如果发现空间不够会显示调用System.gc()触发一次full gc回收掉一部分无用的直接内存的引用对象，同时直接内存也会被释放掉
//如果释放完分配空间还是不够会抛出异常java.lang.OutOfMemoryError
Bits.reserveMemory(size, cap);
long base = 0;
try {
// 调用unsafe本地方法分配直接内存
base = unsafe.allocateMemory(size);
} catch (OutOfMemoryError x) {
// 分配失败，释放内存
Bits.unreserveMemory(size, cap);
throw x;
}
unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
if (pa && (base % ps != 0)) {
// Round up to page boundary
address = base + ps - (base & (ps - 1));
} else {
address = base;
}
// 使用Cleaner机制注册内存回收处理函数，当直接内存引用对象被GC清理掉时，
// 会提前调用这里注册的释放直接内存的Deallocator线程对象的run方法
cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
att = null;
}
// 申请一块本地内存。内存空间是未初始化的，其内容是无法预期的。
// 使用freeMemory释放内存，使用reallocateMemory修改内存大小
public native long allocateMemory(long bytes);
// openjdk8/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jlong, Unsafe_AllocateMemory(JNIEnv *env, jobject unsafe, jlong size))
UnsafeWrapper("Unsafe_AllocateMemory");
size_t sz = (size_t)size;
if (sz != (julong)size || size < 0) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_IllegalArgumentException());
}
if (sz == 0) {
return 0;
}
sz = round_to(sz, HeapWordSize);
// 调用os::malloc申请内存，内部使用malloc这个C标准库的函数申请内存
void* x = os::malloc(sz, mtInternal);
if (x == NULL) {
THROW_0(vmSymbols::java_lang_OutOfMemoryError());
}
//Copy::fill_to_words((HeapWord*)x, sz / HeapWordSize);
return addr_to_java(x);
UNSAFE_END
使用直接内存的优缺点：
优点：
- 不占用堆内存空间，减少了发生GC的可能
- java虚拟机实现上，本地IO会直接操作直接内存（直接内存=>系统调用=>硬盘/网卡），而非直接内存则需要二次拷贝（堆内存=>直接内存=>系统调用=>硬盘/网卡）
缺点：
- 初始分配较慢
- 没有JVM直接帮助管理内存，容易发生内存溢出。为了避免一直没有FULL GC，最终导致直接内存把物理内存耗完。我们可以指定直接内存的最大值，通过-XX：MaxDirectMemorySize来指定，当达到阈值的时候，调用
system.gc来进行一次FULL GC，间接把那些没有被使用的直接内存回收掉。
Netty 零拷贝
Netty的接收和发送ByteBuf采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行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JVM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，然后才能写入Socket中。JVM堆内存的数据是不能直接写入Socket中的。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。
可以看下netty的读写源码，比如read源码NioByteUnsafe.read()：
ByteBuf内存池设计
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（相当于一个内存块），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ByteBuf内存池的缓冲区重用机制。需要的时候直接从池子里获取ByteBuf使用即可，使用完毕之后就重新放回到池子里去。下面我们一起看下Netty ByteBuf的实现：
可以看下netty的读写源码里面用到的ByteBuf内存池，比如read源码NioByteUnsafe.read()。
灵活的TCP参数配置能力
合理设置TCP参数在某些场景下对于性能的提升可以起到显著的效果，例如接收缓冲区SO_RCVBUF和发送缓冲区SO_SNDBUF。如果设置不当，对性能的影响是非常大的。通常建议值为128K或者256K。
Netty在启动辅助类ChannelOption中可以灵活的配置TCP参数，满足不同的用户场景。
并发优化
- volatile的大量、正确使用；
- CAS和原子类的广泛使用；
- 线程安全容器的使用；
- 通过读写锁提升并发性能。
ByteBuf扩容机制
如果我们需要了解ByteBuf的扩容，我们需要先了解ByteBuf中定义的几个成员变量，再从源码的角度来分析扩容。
minNewCapacity：表示用户需要写入的值大小
threshold：阈值，为Bytebuf内部设定容量的最大值
maxCapacity：Netty最大能接受的容量大小，一般为int的最大值
ByteBuf核心扩容方法：
进入ByteBuf源码中，深入分析其扩容方法，idea源码进入：ByteBuf.writeByte()->AbstractByteBuf->calculateNewCapacity。
// io.netty.buffer.AbstractByteBufAllocator#calculateNewCapacity
@Override
public int calculateNewCapacity(int minNewCapacity, int maxCapacity) {
checkPositiveOrZero(minNewCapacity, "minNewCapacity");
if (minNewCapacity > maxCapacity) {
// 比最大的容量还大的话，抛出异常
throw new IllegalArgumentException(String.format(
"minNewCapacity: %d (expected: not greater than maxCapacity(%d)",
minNewCapacity, maxCapacity));
}
final int threshold = CALCULATE_THRESHOLD; // 4 MiB page
if (minNewCapacity == threshold) {
// 等于，返回阈值
return threshold;
}
// If over threshold, do not double but just increase by threshold.
if (minNewCapacity > threshold) {
// 采用步进4MB的方式完成扩容
int newCapacity = minNewCapacity / threshold * threshold;
if (newCapacity > maxCapacity - threshold) {
newCapacity = maxCapacity;
} else {
newCapacity += threshold;
}
return newCapacity;
}
// Not over threshold. Double up to 4 MiB, starting from 64.
// 采用64为基数，做倍增的方式完成扩容
int newCapacity = 64;
while (newCapacity < minNewCapacity) {
newCapacity <<= 1;
}
return Math.min(newCapacity, maxCapacity);
}
- 判断目标值与阈值threshold（4MB）的大小关系，等于直接返回阈值
- 采用步进4MB的方式完成扩容
- 采用64为基数，做倍增的方式完成扩容
总结：
Netty的ByteBuf需要动态扩容来满足需要，扩容过程：默认门限阈值为4MB（这个阈值是一个经验值，不同场景，可能取值不同），当需要的容量等于门限阈值，使用阈值作为新的缓存区容量目标容量，如果大于阈值，采用每次步进4MB的方式进行内存扩张（(需要扩容值/4MB)*4MB），扩张后需要和最大内存（maxCapacity）进行比较，大于maxCapacity的话就用maxCapacity，否则使用扩容值目标容量，如果小于阈值，采用倍增的方式，以64（字节）作为基本数值，每次翻倍增长64 -->128 --> 256，直到倍增后的结果大于或等于需要的容量值。
handler的生命周期回调接口调用顺序
/**
* 在channel的pipeline里如下handler：ch.pipeline().addLast(new LifeCycleInBoundHandler());
* handler的生命周期回调接口调用顺序:
* handlerAdded -> channelRegistered -> channelActive -> channelRead -> channelReadComplete
* -> channelInactive -> channelUnRegistered -> handlerRemoved
*
* handlerAdded: 新建立的连接会按照初始化策略，把handler添加到该channel的pipeline里面，也就是channel.pipeline.addLast(new LifeCycleInBoundHandler)执行完成后的回调；
* channelRegistered: 当该连接分配到具体的worker线程后，该回调会被调用。
* channelActive：channel的准备工作已经完成，所有的pipeline添加完成，并分配到具体的线上上，说明该channel准备就绪，可以使用了。
* channelRead：客户端向服务端发来数据，每次都会回调此方法，表示有数据可读；
* channelReadComplete：服务端每次读完一次完整的数据之后，回调该方法，表示数据读取完毕；
* channelInactive：当连接断开时，该回调会被调用，说明这时候底层的TCP连接已经被断开了。
* channelUnRegistered: 对应channelRegistered，当连接关闭后，释放绑定的workder线程；
* handlerRemoved： 对应handlerAdded，将handler从该channel的pipeline移除后的回调方法。
*/
public class LifeCycleInBoundHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("channelRegistered: channel注册到NioEventLoop");
super.channelRegistered(ctx);
}
@Override
public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("channelUnregistered: channel取消和NioEventLoop的绑定");
super.channelUnregistered(ctx);
}
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("channelActive: channel准备就绪");
super.channelActive(ctx);
}
@Override
public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("channelInactive: channel被关闭");
super.channelInactive(ctx);
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg)
throws Exception {
System.out.println("channelRead: channel中有可读的数据" );
super.channelRead(ctx, msg);
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("channelReadComplete: channel读数据完成");
super.channelReadComplete(ctx);
}
@Override
public void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("handlerAdded: handler被添加到channel的pipeline");
super.handlerAdded(ctx);
}
@Override
public void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx)
throws Exception {
System.out.println("handlerRemoved: handler从channel的pipeline中移除");
super.handlerRemoved(ctx);
}
}
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