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Netty核心知识学习笔记

Reactor线程模型

单线程Reactor模型

单线程Reactor模型中，Reactor、Acceptor和Handler均在同一个线程中执行。其缺点是Handler处理逻辑阻塞时，会导致整个业务执行链阻塞，无法接受新请求，造成性能瓶颈。

多线程单Reactor模型

为解决单线程模型的阻塞问题，引入线程池处理业务逻辑，使Reactor和Handler在不同线程执行。但该模型中所有I/O操作仍由单个NIO线程完成，在高并发场景下会出现性能瓶颈，原因包括：

1. 单个NIO线程需处理成百上千的I/O操作，即使CPU负载达100%也无法支撑海量消息的读取和发送。
2. NIO线程负载过重会导致处理速度变慢，客户端连接超时后重发请求，进一步加重负载，造成消息积压和超时。

主从Reactor多线程模型

为优化多线程单Reactor模型的瓶颈，引入主从Reactor多线程模型，包含三个主要角色：

• Main Reactor：负责接受客户端连接请求，并将具体的业务I/O处理请求转发给Sub Reactor（可多个）。
• Acceptor：接受请求并委托给Main Reactor线程池，起到转发作用。
• Sub Reactor：负责数据的读写，在NIO操作中需注册通道的读事件（OP_READ）和写事件（OP_WRITE）。

Netty核心组件

Netty核心组件分为三层：网络通信层、事件调度层和服务编排层。

网络通信层

• Bootstrap：客户端启动组件，负责连接远程Netty服务。
• ServerBootstrap：服务端启动组件，负责启动监听端口，接受客户端连接。
• Channel：网络通信的载体，用于数据的读写和传输。

事件调度层

• EventLoopGroup：本质是线程池，负责接收I/O请求并分配给线程执行处理。
• EventLoop：相当于线程池中的线程，负责处理绑定Channel的所有I/O事件。

服务编排层

• ChannelPipeline：负责将多个ChannelHandler连接在一起，形成处理链。
• ChannelHandler：I/O数据处理器，数据接收后由指定的Handler进行处理（如编解码）。
• ChannelHandlerContext：保存ChannelHandler的上下文信息，用于Handler之间的交互。

ChannelPipeline工作原理

ChannelPipeline本质是一个双向列表，采用责任链模式。每个Channel对应唯一一个ChannelPipeline，ChannelPipeline维护由ChannelHandlerContext组成的双向列表，列表头为head context，尾为tail context，每个ChannelHandlerContext关联一个ChannelHandler。

初始化时通过调用Channel的pipeline()方法获取Pipeline对象，调用addLast()方法可在Pipeline末端插入ChannelHandlerContext。Handler的添加顺序会影响代码执行顺序，其中从头部往尾部的Handler称为Inbound（用于接收用户请求，如解码），从尾部往头部的Handler称为Outbound（用于给用户响应，如编码）。Netty内置了多种编解码器，也支持自定义ChannelHandler实现特定功能（如自定义通信协议）。

Netty优势分析

相比直接使用Java原生NIO API，Netty具有以下优势：

1. 统一API：支持多种通信模型（阻塞、非阻塞、EPOLL等）。
2. 简化开发：少量代码即可实现Reactor多线程模型及主从线程模型。
3. 内置编解码器：解决TCP拆包/粘包问题。
4. 协议支持：内置HTTP、WebSocket等多种通信协议。
5. 高性能：在高吞吐量、低延时、低资源消耗场景下表现优于原生NIO，优化包括零拷贝、无锁化串行机制、内存池管理等。
6. 成熟稳定：被Tomcat、Dubbo、RocketMQ等经典开源项目采用，经大型场景验证。
7. 安全性：支持SSL、TLS等安全协议。

Netty零拷贝实现

零拷贝概念

零拷贝并非完全无拷贝，而是减少数据拷贝次数。传统I/O读写涉及4次用户态与内核态切换（上下文切换）及4次数据拷贝（2次CPU拷贝、2次DMA拷贝），导致性能低下。零拷贝通过减少拷贝次数提升性能。

Netty零拷贝的三种方式

1. 直接内存（DirectByteBuffer）：基于系统底层mmap机制，接收和发送数据均使用直接内存，避免字节缓冲区的二次拷贝。
2. CompositeByteBuf：聚合多个ByteBuf对象，用户可像操作单个ByteBuf一样操作组合缓冲区，避免将多个小ByteBuf合并为大ByteBuf时的内存拷贝。
3. transferTo方法：利用NIO的sendfile机制，直接将文件缓冲区数据发送到Socket，减少传统I/O中的多次拷贝。

Netty线程池默认大小解析

性能指标与任务类型

提升性能需降低延时（提高CPU处理能力）和提高吞吐量（提高I/O读写效率）。程序分为I/O密集型任务和CPU密集型任务：

• CPU密集型任务：线程数理论上等于CPU核心数，实际设为CPU核心数+1（应对线程阻塞时的CPU利用率）。
• I/O密集型任务：线程数与I/O耗时和CPU耗时比例相关，公式为：线程数 = CPU核心数 × (1 + I/O耗时/CPU耗时)。

Netty默认线程池大小

Netty默认线程池大小为CPU核心数的两倍，原因是其默认I/O耗时与CPU耗时比例（I/O ratio参数，默认值50）为1:1，代入I/O密集型任务公式：线程数 = CPU核心数 × (1 + 1) = 2 × CPU核心数。

实际应用建议

• I/O密集型任务使用Netty默认配置即可。
• 提高吞吐量还可通过缓存、微服务拆分、优化业务逻辑及算法等方式实现，无需过度关注线程池大小调整。