性能主題

Netty原理和使用

　　Netty是一個(gè)高性能 事件驅(qū)動(dòng)的異步的非堵塞的IO(NIO)框架，用于建立TCP等底層的連接，基于Netty可以建立高性能的Http服務(wù)器。支持HTTP、 WebSocket 、Protobuf、 Binary TCP |和UDP，Netty已經(jīng)被很多高性能項(xiàng)目作為其Socket底層基礎(chǔ)，如HornetQ Infinispan Vert.x
Play Framework Finangle和 Cassandra。其競爭對手是：Apache MINA和 Grizzly。

　　　傳統(tǒng)堵塞的IO讀取如下：

InputStream is = new FileInputStream("input.bin");
int byte = is.read(); // 當(dāng)前線程等待結(jié)果到達(dá)直至錯(cuò)誤

　　　而使用NIO如下：

while (true) {
　selector.select(); // 從多個(gè)通道請求事件
　Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();
　while (it.hasNext()) {
　　SelectorKey key = (SelectionKey) it.next();
　　handleKey(key);
　　it.remove();
　}
｝

堵塞與非堵塞原理

　　傳統(tǒng)硬件的堵塞如下，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，然后寫到磁盤，而CPU一直等到磁盤寫完成，磁盤的寫操作是慢的，這段時(shí)間CPU被堵塞不能發(fā)揮效率。

　　使用非堵塞的DMA如下圖：CPU只是發(fā)出寫操作這樣的指令，做一些初始化工作，DMA具體執(zhí)行，從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，然后寫到磁盤，當(dāng)完成寫后發(fā)出一個(gè)中斷事件給CPU。這段時(shí)間CPU是空閑的，可以做別的事情。這個(gè)原理稱為Zero.copy零拷貝。

　　Netty底層基于上述Java NIO的零拷貝原理實(shí)現(xiàn)：

比較

• Tomcat是一個(gè)Web服務(wù)器，它是采取一個(gè)請求一個(gè)線程，當(dāng)有1000客戶端時(shí)，會耗費(fèi)很多內(nèi)存。通常一個(gè)線程將花費(fèi) 256kb到1mb的stack空間。
• Node.js是一個(gè)線程服務(wù)于所有請求，在錯(cuò)誤處理上有限制
• Netty是一個(gè)線程服務(wù)于很多請求，如下圖，當(dāng)從Java NIO獲得一個(gè)Selector事件，將激活通道Channel。

演示

Netty的使用代碼如下：

Channel channel = ...
ChannelFuture cf = channel.write(data);
cf.addListener(
　　new ChannelFutureListener() {
　　　@Override
　　　public void operationComplete(ChannelFuture future)　throws Exception {
　　　　　if(!future.isSuccess() {
　　　　　　　　future.cause().printStacktrace();
　　　　　　　　...
　　　　　}
　　　　　...
　　　}
});
...
cf.sync();

通過引入觀察者監(jiān)聽，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，將自動(dòng)激活監(jiān)聽者中的代碼運(yùn)行。

我們使用Netty建立一個(gè)服務(wù)器代碼：

public class EchoServer {

    private final int port;

    public EchoServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void run() throws Exception {
        // Configure the server.
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
                   .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                       @Override
                       public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                           ch.pipeline().addLast(
                           // new LoggingHandler(LogLevel.INFO),
                                   new EchoServerHandler());
                       }
                   });

            // Start the server.
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();

            // Wait until the server socket is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down all event loops to terminate all threads.
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

   
}

這段代碼調(diào)用：在9999端口啟動(dòng)

new EchoServer(9999).run();

我們需要完成的代碼是EchoServerHandler：

public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    private static final Logger logger = Logger.getLogger(EchoServerHandler.class.getName());

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ctx.write(msg);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.flush();
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        // Close the connection when an exception is raised.
        logger.log(Level.WARNING, "Unexpected exception from downstream.", cause);
        ctx.close();
    }
}

原理

　　　一個(gè)Netty服務(wù)器的原理如下：

　　圖中每次請求的讀取是通過UpStream來實(shí)現(xiàn)，然后激活我們的服務(wù)邏輯如EchoServerHandler，而服務(wù)器向外寫數(shù)據(jù)，也就是響應(yīng)是通過DownStream實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)通道Channel包含一對UpStream和DownStream，以及我們的handlers（EchoServerHandler），如下圖，這些都是通過channel pipeline封裝起來的，數(shù)據(jù)流在管道里流動(dòng)，每個(gè)Socket對應(yīng)一個(gè)ChannelPipeline。

　　　CHANNELPIPELINE是關(guān)鍵，它類似Unix的管道，有以下作用：

• 為每個(gè)Channel 保留 ChannelHandlers ，如EchoServerHandler
  
• 所有的事件都要通過它
  
• 不斷地修改：類似unix的SH管道： echo "Netty is shit...." | sed -e 's/is /is the /'
  
• 一個(gè)Channel對應(yīng)一個(gè) ChannelPipeline
• 包含協(xié)議編碼解碼 安全驗(yàn)證SSL/TLS和應(yīng)用邏輯

客戶端代碼

　　前面我們演示了服務(wù)器端代碼，下面是客戶端代碼：

public class EchoClient {
    private final String host;
    private final int port;
    private final int firstMessageSize;

    public EchoClient(String host, int port, int firstMessageSize) {
        this.host = host;
        this.port = port;
        this.firstMessageSize = firstMessageSize;
    }

    public void run() throws Exception {
        // Configure the client.
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
           b.group(group).channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override
                public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                   ch.pipeline().addLast(
                   // new LoggingHandler(LogLevel.INFO),
                           new EchoClientHandler(firstMessageSize));
                }
            });

            // Start the client.
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();

            // Wait until the connection is closed.
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // Shut down the event loop to terminate all threads.
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客戶端的應(yīng)用邏輯EchoClientHandler：

public class EchoClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    private static final Logger logger = Logger.getLogger(EchoClientHandler.class.getName());

    private final ByteBuf firstMessage;

    /**
     * Creates a client-side handler.
     */
    public EchoClientHandler(int firstMessageSize) {
        if (firstMessageSize <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("firstMessageSize: " + firstMessageSize);
        }
        firstMessage = Unpooled.buffer(firstMessageSize);
        for (int i = 0; i < firstMessage.capacity(); i++) {
            firstMessage.writeByte((byte) i);
        }
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        ctx.writeAndFlush(firstMessage);
        System.out.print("active");
    }

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ctx.write(msg);
        System.out.print("read");
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.flush();
        System.out.print("readok");
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        // Close the connection when an exception is raised.
        logger.log(Level.WARNING, "Unexpected exception from downstream.", cause);
        ctx.close();
    }

}

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