Netty实现原理浅析

Netty是JBoss出品的高效的Java NIO开发框架,关于其使用,可参考我的另一篇文章 netty使用初步。本文将主要分析Netty实现方面的东西,由于精力有限,本人并没有对其源码做了极细致的研 究。如果下面的内容有错误或不严谨的地方,也请指正和谅解。对于Netty使用者来说,Netty提供了几个典型的example,并有详尽的API doc和guide doc,本文的一些内容及图示也来自于Netty的文档,特此致谢。

1、总体结构

先放上一张漂亮的Netty总体结构图,下面的内容也主要围绕该图上的一些核心功能做分析,但对如Container Integration及Security Support等高级可选功能,本文不予分析。

2、网络模型

Netty是典型的Reactor模型结构,关于Reactor的详尽阐释,可参考POSA2,这里不做概念性的解释。而应用Java NIO构建Reactor模式,Doug Lea(就是那位让人无限景仰的大爷)在“Scalable IO in Java”中给了很好的阐述。这里截取其PPT中经典的图例说明 Reactor模式的典型实现:

1、这是最简单的单Reactor单线程模型。Reactor线程是个多面手,负责多路分离套接字,Accept新连接,并分派请求到处理器链中。该模型 适用于处理器链中业务处理组件能快速完成的场景。不过,这种单线程模型不能充分利用多核资源,所以实际使用的不多。

2、相比上一种模型,该模型在处理器链部分采用了多线程(线程池),也是后端程序常用的模型。

3、 第三种模型比起第二种模型,是将Reactor分成两部分,mainReactor负责监听server socket,accept新连接,并将建立的socket分派给subReactor。subReactor负责多路分离已连接的socket,读写网 络数据,对业务处理功能,其扔给worker线程池完成。通常,subReactor个数上可与CPU个数等同。

说完Reacotr模型的三种形式,那么Netty是哪种呢?其实,我还有一种Reactor模型的变种没说,那就是去掉线程池的第三种形式的变种,这也 是Netty NIO的默认模式。在实现上,Netty中的Boss类充当mainReactor,NioWorker类充当subReactor(默认 NioWorker的个数是Runtime.getRuntime().availableProcessors())。在处理新来的请求 时,NioWorker读完已收到的数据到ChannelBuffer中,之后触发ChannelPipeline中的ChannelHandler流。

Netty是事件驱动的,可以通过ChannelHandler链来控制执行流向。因为ChannelHandler链的执行过程是在 subReactor中同步的,所以如果业务处理handler耗时长,将严重影响可支持的并发数。这种模型适合于像Memcache这样的应用场景,但 对需要操作数据库或者和其他模块阻塞交互的系统就不是很合适。Netty的可扩展性非常好,而像ChannelHandler线程池化的需要,可以通过在 ChannelPipeline中添加Netty内置的ChannelHandler实现类–ExecutionHandler实现,对使用者来说只是 添加一行代码而已。对于ExecutionHandler需要的线程池模型,Netty提供了两种可 选:1) MemoryAwareThreadPoolExecutor 可控制Executor中待处理任务的上限(超过上限时,后续进来的任务将被阻 塞),并可控制单个Channel待处理任务的上限;2) OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是  MemoryAwareThreadPoolExecutor 的子类,它还可以保证同一Channel中处理的事件流的顺序性,这主要是控制事件在异步处 理模式下可能出现的错误的事件顺序,但它并不保证同一Channel中的事件都在一个线程中执行(通常也没必要)。一般来 说,OrderedMemoryAwareThreadPoolExecutor 是个很不错的选择,当然,如果有需要,也可以DIY一个。

3、 buffer

org.jboss.netty.buffer包的接口及类的结构图如下:

该包核心的接口是ChannelBuffer和ChannelBufferFactory,下面予以简要的介绍。

Netty使用ChannelBuffer来存储并操作读写的网络数据。ChannelBuffer除了提供和ByteBuffer类似的方法,还提供了 一些实用方法,具体可参考其API文档。ChannelBuffer的实现类有多个,这里列举其中主要的几个:

1)HeapChannelBuffer:这是Netty读网络数据时默认使用的ChannelBuffer,这里的Heap就是Java堆的意思,因为 读SocketChannel的数据是要经过ByteBuffer的,而ByteBuffer实际操作的就是个byte数组,所以 ChannelBuffer的内部就包含了一个byte数组,使得ByteBuffer和ChannelBuffer之间的转换是零拷贝方式。根据网络字 节续的不同,HeapChannelBuffer又分为BigEndianHeapChannelBuffer和 LittleEndianHeapChannelBuffer,默认使用的是BigEndianHeapChannelBuffer。Netty在读网络 数据时使用的就是HeapChannelBuffer,HeapChannelBuffer是个大小固定的buffer,为了不至于分配的Buffer的 大小不太合适,Netty在分配Buffer时会参考上次请求需要的大小。

2)DynamicChannelBuffer:相比于HeapChannelBuffer,DynamicChannelBuffer可动态自适应大 小。对于在DecodeHandler中的写数据操作,在数据大小未知的情况下,通常使用DynamicChannelBuffer。

3)ByteBufferBackedChannelBuffer:这是directBuffer,直接封装了ByteBuffer的 directBuffer。

对于读写网络数据的buffer,分配策略有两种:1)通常出于简单考虑,直接分配固定大小的buffer,缺点是,对一些应用来说这个大小限制有时是不 合理的,并且如果buffer的上限很大也会有内存上的浪费。2)针对固定大小的buffer缺点,就引入动态buffer,动态buffer之于固定 buffer相当于List之于Array。

buffer的寄存策略常见的也有两种(其实是我知道的就限于此):1)在多线程(线程池) 模型下,每个线程维护自己的读写buffer,每次处理新的请求前清空buffer(或者在处理结束后清空),该请求的读写操作都需要在该线程中完成。 2)buffer和socket绑定而与线程无关。两种方法的目的都是为了重用buffer。

Netty对buffer的处理策略是:读 请求数据时,Netty首先读数据到新创建的固定大小的HeapChannelBuffer中,当HeapChannelBuffer满或者没有数据可读 时,调用handler来处理数据,这通常首先触发的是用户自定义的DecodeHandler,因为handler对象是和ChannelSocket 绑定的,所以在DecodeHandler里可以设置ChannelBuffer成员,当解析数据包发现数据不完整时就终止此次处理流程,等下次读事件触 发时接着上次的数据继续解析。就这个过程来说,和ChannelSocket绑定的DecodeHandler中的Buffer通常是动态的可重用 Buffer(DynamicChannelBuffer),而在NioWorker中读ChannelSocket中的数据的buffer是临时分配的 固定大小的HeapChannelBuffer,这个转换过程是有个字节拷贝行为的。

对ChannelBuffer的创建,Netty内部使用的是ChannelBufferFactory接口,具体的实现有 DirectChannelBufferFactory和HeapChannelBufferFactory。对于开发者创建 ChannelBuffer,可使用实用类ChannelBuffers中的工厂方法。

4、Channel

和Channel相关的接口及类结构图如下:

从该结构图也可以看到,Channel主要提供的功能如下:

1)当前Channel的状态信息,比如是打开还是关闭等。
2)通过ChannelConfig可以得到的Channel配置信息。
3)Channel所支持的如read、write、bind、connect等IO操作。
4)得到处理该Channel的ChannelPipeline,既而可以调用其做和请求相关的IO操作。

在Channel实现方面,以通常使用的nio socket来说,Netty中的NioServerSocketChannel和NioSocketChannel分别封装了java.nio中包含的 ServerSocketChannel和SocketChannel的功能。

5、ChannelEvent

如前所述,Netty是事件驱动的,其通过ChannelEvent来确定事件流的方向。一个ChannelEvent是依附于Channel的 ChannelPipeline来处理,并由ChannelPipeline调用ChannelHandler来做具体的处理。下面是和 ChannelEvent相关的接口及类图:

对于使用者来说,在ChannelHandler实现类中会使用继承于ChannelEvent的MessageEvent,调用其 getMessage()方法来获得读到的ChannelBuffer或被转化的对象。

6、ChannelPipeline

Netty 在事件处理上,是通过ChannelPipeline来控制事件流,通过调用注册其上的一系列ChannelHandler来处理事件,这也是典型的拦截 器模式。下面是和ChannelPipeline相关的接口及类图:

事件流有两种,upstream事件和downstream事件。在ChannelPipeline中,其可被注册的ChannelHandler既可以 是 ChannelUpstreamHandler 也可以是ChannelDownstreamHandler ,但事件在ChannelPipeline传递过程中只会调用匹配流的ChannelHandler。在事件流的过滤器链 中,ChannelUpstreamHandler或ChannelDownstreamHandler既可以终止流程,也可以通过调用 ChannelHandlerContext.sendUpstream(ChannelEvent)或 ChannelHandlerContext.sendDownstream(ChannelEvent)将事件传递下去。下面是事件流处理的图示:

从上图可见,upstream event是被Upstream Handler们自底向上逐个处理,downstream event是被Downstream Handler们自顶向下逐个处理,这里的上下关系就是向ChannelPipeline里添加Handler的先后顺序关系。简单的理 解,upstream event是处理来自外部的请求的过程,而downstream event是处理向外发送请求的过程。

服务端处 理请求的过程通常就是解码请求、业务逻辑处理、编码响应,构建的ChannelPipeline也就类似下面的代码片断:

ChannelPipeline pipeline = Channels.pipeline();
pipeline.addLast("decoder", new MyProtocolDecoder());
pipeline.addLast("encoder", new MyProtocolEncoder());
pipeline.addLast("handler", new MyBusinessLogicHandler());

其中,MyProtocolDecoder是ChannelUpstreamHandler类型,MyProtocolEncoder是 ChannelDownstreamHandler类型,MyBusinessLogicHandler既可以是 ChannelUpstreamHandler类型,也可兼ChannelDownstreamHandler类型,视其是服务端程序还是客户端程序以及 应用需要而定。

补充一点,Netty对抽象和实现做了很好的解耦。像org.jboss.netty.channel.socket包, 定义了一些和socket处理相关的接口,而org.jboss.netty.channel.socket.nio、 org.jboss.netty.channel.socket.oio等包,则是和协议相关的实现。

7、codec framework

对于请求协议的编码解码,当然是可以按照协议格式自己操作ChannelBuffer中的字节数据。另一方面,Netty也做了几个很实用的codec helper,这里给出简单的介绍。

1)FrameDecoder:FrameDecoder内部维护了一个 DynamicChannelBuffer成员来存储接收到的数据,它就像个抽象模板,把整个解码过程模板写好了,其子类只需实现decode函数即可。 FrameDecoder的直接实现类有两个:(1)DelimiterBasedFrameDecoder是基于分割符 (比如\r\n)的解码器,可在构造函数中指定分割符。(2)LengthFieldBasedFrameDecoder是基于长度字段的解码器。如果协 议 格式类似“内容长度”+内容、“固定头”+“内容长度”+动态内容这样的格式,就可以使用该解码器,其使用方法在API DOC上详尽的解释。
2)ReplayingDecoder: 它是FrameDecoder的一个变种子类,它相对于FrameDecoder是非阻塞解码。也就是说,使用 FrameDecoder时需要考虑到读到的数据有可能是不完整的,而使用ReplayingDecoder就可以假定读到了全部的数据。
3)ObjectEncoder 和ObjectDecoder:编码解码序列化的Java对象。
4)HttpRequestEncoder和 HttpRequestDecoder:http协议处理。

下面来看使用FrameDecoder和ReplayingDecoder的两个例子:

public class IntegerHeaderFrameDecoder extends FrameDecoder {
	protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, Channel channel,
				ChannelBuffer buf) throws Exception {
		if (buf.readableBytes() < 4) {
			return null;
		}
		buf.markReaderIndex();
		int length = buf.readInt();
		if (buf.readableBytes() < length) {
			buf.resetReaderIndex();
			return null;
		}
		return buf.readBytes(length);
	}
}

而使用ReplayingDecoder的解码片断类似下面的,相对来说会简化很多。

public class IntegerHeaderFrameDecoder2 extends ReplayingDecoder {
	protected Object decode(ChannelHandlerContext ctx, Channel channel,
			ChannelBuffer buf, VoidEnum state) throws Exception {
		return buf.readBytes(buf.readInt());
	}
}

就实现来说,当在ReplayingDecoder子类的decode函数中调用ChannelBuffer读数据时,如果读失败,那么 ReplayingDecoder就会catch住其抛出的Error,然后ReplayingDecoder接手控制权,等待下一次读到后续的数据后继 续decode。

8、小结

尽管该文行至此处将止,但该文显然没有将Netty实现原理深入浅出的说全说透。当我打算写这篇文章时,也是一边看Netty的代码,一边总结些可写的东 西,但前后断断续续,到最后都没了多少兴致。我还是爱做一些源码分析的事情,但精力终究有限,并且倘不能把源码分析的结果有条理的托出来,不能产生有意义 的心得,这分析也没什么价值和趣味。而就分析Netty代码的感受来说,Netty的代码很漂亮,结构上层次上很清晰,不过这种面向接口及抽象层次对代码 跟踪很是个问题,因为跟踪代码经常遇到接口和抽象类,只能借助于工厂类和API DOC,反复对照接口和实现类的对应关系。就像几乎任何优秀的Java开源项目都会用上一系列优秀的设计模式,也完全可以从模式这一点单独拿出一篇分析文 章来,尽管我目前没有这样的想法。而在此文完成之后,我也没什么兴趣再看Netty的代码了。



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