Netty4.x分析

官网定义： 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、高性能的服务端和客户端程序。

原理分析 

Architecture Overview

网络模型：netty采用了Reactor设计模式，Reactor设计可分三种：

单线程版本，如图：

 

学C的朋友会知道IO多路复用，我感觉和这个Reactor模式差不多，Reactor收到新连接调用acceptor的accept，返回的SocketChannel会注册到Reactor里，当连接可读或者可写时，分发一个handler处理。

多线程版本，如图：

 

处理部分增加了线程池。

Multi-Reactor版本：

 

监听端口注册到mainReactor里，有连接，调用accept，返回的连接注册到subReactor里，subReactor只负责读写，处理部分交给线程池。

Netty采用的方式类似于第三种，Netty3.6里mainReactor对应Boss类，subReactord对应NioWorker类；4.x里是实现EventLoopGroup接口的某个类，如NioEventLoopGroup（multithreaded event loop that handles I/O operation），EventLoopGroup相当于管理EventLoop的线程池，thread数量是可以配置的，echoServer例子中：

42,43行就是boss和worker了，ServerBootstrap是设置服务器的帮助类。

47行用NioServerSocketChannel类说明后面会用它去实例channel来接受incoming连接。

48行option方法可以指定Channel实现的方式。

50行：subReactor监听的channel来事件了，处理方法要通过childHandler方法指定，这是需要我们实现的，childHandler方法的参数是ChannelHandler接口的某个类，然后回调；拿FactorialServerInitializer举例，层次关系如图：

ChannelInitializer用来配置channel，这里要实现抽象类ChannelInitializer里的initChannel方法，意味着要在initChannel方法里配置pipeline。

我们观察EventLoopGroup类，如下图所示：

 

EventExecutor和EventLoopGroup都包含通用的 event loop API；EventLoopGroup有register方法，提供向其注册channel，返回ChannelFuture；

Netty Pipeline：

每个channel都有自己的pipeline，channel创建则对应的pipeline自动创建，下图显示了IO事件如何通过ChannelHandler在ChannelPipeline中处理的：

 

在pipeline里，每个stage运行一个InboundHandler或OutboundHandler，设计过MIPS经典五段pipeline的朋友应该知道锁存器设计，这里对应ChannelHandlerContext，ChannelHandlerContext可以通知ChannelPipeline里下一个ChannelHandler工作，并把事件流传给下一个ChannelHandler，也可以动态修改它所属的ChannelPipeline；

Inbound事件流传递方法：

Outbound事件流传递方法：

 我们看下官网的例子，io.netty.example.factorial 这个包，Pipeline部分（服务端）：

 

当Socket.read（）发生时，handler处理事件的顺序是：BigIntegerDecoder->FactorialServeHandler

当Socket.write（）发生时，handler处理事件的顺序是：NumberEncoder

ChannelInboundHandlerAdapter的方法：

ChannelOutboundHandlerAdapter的方法：

关于Pipeline的一些说明：并不是一个阶段执行完了，才去执行下一个阶段，而是每个Handler有对应的事件处理方法（如上ChannelInboundHandlerAdapter和ChannelOutboundHandlerAdapter中的方法），当这个Handler接收到了某事件，就会调用这个事件处理方法，然后会触发下个Handler对应的事件处理方法，下面用自带的io.netty.example.http.helloworld包验证这个想法（在方法里插了输出）：

Socket.read（）：HttpServerCodec->HttpHelloWorldServerHandler;

Socket.write（）：HttpServerCodec

Zero Copy：

Netty里用到了ZC技术，这里是介绍ZeroCopy比较好的一篇文章，Netty里FileRegion就是用来支持ZeroCopy的接口，ZC在传输大文件时比较有优势，把大文件指定到Channel上，直接传输，不经过Application层。

 Channel包：

Channel接口封装了socket，提供IO操作（如read，write，connect，bind等）的组建，具体属性、方法可参考文档；

ChannelFuture接口继承了io.netty.util.concurrent.Future，Netty中IO调用均是异步的，调用立即返回，返回结果记录在ChannelFuture里，ChannelFuture随着IO操作的开始而被创建，它的状态可以是完成或者未完成，初始态是未完成，状态如下：

我们可以通过向ChannelFuture里增加和删除ChannelFutureListener（继承GenericFutureListener）（通过addListener（s）、removeListener（s）方法），IO操作完成时触发GenericFutureListener的operationComplete方法执行，这是异步的操作；我们也可以调用ChannelFuture的await方法阻塞Control Flow，直到ChannelFuture完成。

ChannelPipeline已在上文介绍；

Buffer包：

Netty使用自己的buffer API处理字节序列，而不是使用NIO自带的buffer，这样的定制有很多优势吧，官方文档是这么说的：在常见的网络应用中，我们会有一些buffer，它们经常需要组装成一个buffer，netty提供composite buffer，它允许你把已经存在的几个buffer组合起来创建一个virtual buffer，不需要内存拷贝：

还有许多协议的MTU都是不确定的，Netty允许你创建动态大小的buffer，来降低内存开销。

Channel读的数据会写到实现ByteBuf接口的某个类里，ByteBuf里数据满了，会调用handler处理，io.netty.handler.codec包里面会有一些类把package frame，也就是收到的ByteBuf decode成Message，交给handler处理；ByteBuf提供Java nio缓存（ByteBuffer）类似的方法，ByteBuf接口的实现层次图：

buffer包中有一个帮助类Unpooled，用于创建ByteBuf，所有的ByteBuf都是通过ByteBufAllocatore和UnpooledByteBufAllocator分配的，在Unpooled类里，默认的分配器是UnpooledByteBufAllocator，默认分配的ByteBuf类型是UnpooledHeapByteBuf；

HeapByteBuf是在Java堆上分配内存；DirectByteBuf用的是NIO的ByteBuffer，CompositeByteBuf是一个虚拟的buffer，将多种buffer合并成一个buffer；

细心的同学会看到PoolByteBuf和UnpooledByteBuf，PoolByteBuf是4.0新引入的，设计思想借鉴jemalloc（core：混合了slab分配器和buddy分配器），优点是减少内存碎片，Slab分配器是基于对象管理的，分配对象，直接从Slab系统里拿，无需再次初始化，释放对象，则保留在Slab系统里，标记为脏，不需释放，降低GC压力；

 io.netty.handler.codec包：

ByteToMessageCodec类封装了ByteToMessageDecoder和MessageToByteEncoder（都作为Pipeline Handler）；我们先观察ByteToMessageDecoder，其可以将流式的字节转化成消息类型，他有一个成员cumulation（ByteBuf类型），收消息时会把收到的msg（ByteBuf类型）传递给cumulation，数据准备好后调用callDecode，callDecode进一步调用decode方法（具体分帧方法），这个方法交给子类实现；MessageToByteEncoder里的write方法同理，write里调用子类实现的encode方法将消息encode成ByteBuf，发送出去。