原生 NIO 存在的问题

1. NIO 的类库和 API 繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。

2. 需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的 NIO 程序。

3. 开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。

4. JDK NIO 的 Bug：例如臭名昭著的 Epoll Bug，它会导致 Selector 空轮询，最终导致 CPU100%。直到 JDK1.7 版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

Netty 官网说明

Netty 的优点

1. 设计优雅：适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket；基于灵活且可扩展的事件模型，可以清晰地分离关注点；高度可定制的线程模型-单线程，一个或多个线程池。

2. 使用方便：详细记录的 Javadoc，用户指南和示例；没有其他依赖项，JDK5（Netty3.x）或 6（Netty4.x）就足够了。

3. 高性能、吞吐量更高：延迟更低；减少资源消耗；最小化不必要的内存复制。

4. 安全：完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。

5. 社区活跃、不断更新：社区活跃，版本迭代周期短，发现的 Bug 可以被及时修复，同时，更多的新功能会被加入。

Netty 版本说明

1. Netty 版本分为 Netty 3.x 和 Netty 4.x、Netty 5.x

2. 因为 Netty 5 出现重大 bug，已经被官网废弃了，目前推荐使用的是 Netty 4.x的稳定版本

3. 目前在官网可下载的版本 Netty 3.x、Netty 4.0.x 和 Netty 4.1.x

4. 在本套课程中，我们讲解 Netty4.1.x 版本

5. Netty 下载地址：https://bintray.com/netty/downloads/netty/

Netty 高性能架构设计

线程模型基本介绍

1. 不同的线程模式，对程序的性能有很大影响，为了搞清 Netty 线程模式，我们来系统的讲解下各个线程模式，最后看看 Netty 线程模型有什么优越性。

2. 目前存在的线程模型有：传统阻塞 I/O 服务模型 和Reactor 模式

3. 根据
的数量和处理资源池线程的数量不同，有
种典型的实现
• 单 Reactor 单线程；
• 单 Reactor多线程；
• 主从 Reactor多线程

4. Netty 线程模式（Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor）

传统阻塞 I/O 服务模型

工作原理图

1. 黄色的框表示对象，蓝色的框表示线程

2. 白色的框表示方法（API）

模型特点

1. 采用阻塞 IO 模式获取输入的数据

2. 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入，业务处理，数据返回

问题分析

1. 当并发数很大，就会创建大量的线程，占用很大系统资源

2. 连接创建后，如果当前线程暂时没有数据可读，该线程会阻塞在 Handler对象中的read 操作，导致上面的处理线程资源浪费

Reactor 模式

针对传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点，解决方案：

1. 反应器模式

2. 分发者模式（Dispatcher）

3. 通知者模式（notifier）

4. 基于线程池复用线程资源：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，一个线程可以处理多个连接的业务。（解决了当并发数很大时，会创建大量线程，占用很大系统资源）

5. 基于 I/O 复用模型：多个客户端进行连接，先把连接请求给ServiceHandler。多个连接共用一个阻塞对象ServiceHandler。假设，当C1连接没有数据要处理时，C1客户端只需要阻塞于ServiceHandler，C1之前的处理线程便可以处理其他有数据的连接，不会造成线程资源的浪费。当C1连接再次有数据时，ServiceHandler根据线程池的空闲状态，将请求分发给空闲的线程来处理C1连接的任务。（解决了线程资源浪费的那个问题）

I/O 复用结合线程池，就是 Reactor 模式基本设计思想，如图

1. Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器（ServiceHandler）的模式（基于事件驱动）

2. 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程，因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher 模式

3. Reactor 模式使用 IO 复用监听事件，收到事件后，分发给某个线程（进程），这点就是网络服务器高并发处理关键

原先有多个Handler阻塞，现在只用一个ServiceHandler阻塞

Reactor 模式中核心组成

1. Reactor（也就是那个ServiceHandler）：Reactor 在一个单独的线程中运行，负责监听和分发事件，分发给适当的处理线程来对 IO 事件做出反应。它就像公司的电话接线员，它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人；

2. Handlers（处理线程EventHandler）：处理线程执行 I/O 事件要完成的实际事件，类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理线程来响应 I/O 事件，处理程序执行非阻塞操作。

Reactor 模式分类

1. 单 Reactor 单线程

2. 单 Reactor 多线程

3. 主从 Reactor 多线程

单 Reactor 单线程

方案说明

1. Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API，可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求

2. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后通过 Dispatch 进行分发

3. 如果是建立连接请求事件，则由 Acceptor 通过 Accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理连接完成后的后续业务处理

4. 如果不是建立连接事件，则 Reactor 会分发调用连接对应的 Handler 来响应

5. Handler 会完成 Read → 业务处理 → Send 的完整业务流程

方案优缺点分析

1. 优点：模型简单，没有多线程、进程通信、竞争的问题，全部都在一个线程中完成

2. 缺点：性能问题，只有一个线程，无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件，很容易导致性能瓶颈

3. 缺点：可靠性问题，线程意外终止，或者进入死循环，会导致整个系统通信模块不可用，不能接收和处理外部消息，造成节点故障

4. 使用场景：客户端的数量有限，业务处理非常快速，比如 Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

单 Reactor 多线程

方案说明

1. Reactor 对象通过 Select 监控客户端请求事件，收到事件后，通过 Dispatch 进行分发

2. 如果是建立连接请求，则由 Acceptor 通过 accept 处理连接请求，然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件

3. 如果不是连接请求，则由 Reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理（也就是说连接已经建立，后续客户端再来请求，那基本就是数据请求了，直接调用之前为这个连接创建好的handler来处理）

4. handler 只负责响应事件，不做具体的业务处理（这样不会使handler阻塞太久），通过 read 读取数据后，会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务。【业务处理是最费时的，所以将业务处理交给线程池去执行】

5. worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务，并将结果返回给 handler

6. handler 收到响应后，通过 send 将结果返回给 client

方案优缺点分析

1. 优点：可以充分的利用多核 cpu 的处理能力

2. 缺点：多线程数据共享和访问比较复杂。Reactor 承担所有的事件的监听和响应，它是单线程运行，在高并发场景容易出现性能瓶颈。也就是说Reactor主线程承担了过多的事

主从 Reactor 多线程

工作原理图

SubReactor是可以有多个的，如果只有一个SubReactor的话那和单 Reactor 多线程就没什么区别了。

1. Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件，收到事件后，通过 Acceptor 处理连接事件

2. 当 Acceptor 处理连接事件后，MainReactor 将连接分配给 SubReactor

3. subreactor 将连接加入到连接队列进行监听，并创建 handler 进行各种事件处理

4. 当有新事件发生时，subreactor 就会调用对应的 handler 处理

5. handler 通过 read 读取数据，分发给后面的 worker 线程处理

6. worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理，并返回结果

7. handler 收到响应的结果后，再通过 send 将结果返回给 client

8. Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程，即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

Scalable IO in Java 对 Multiple Reactors 的原理图解

方案优缺点说明

1. 优点：父线程与子线程的数据交互简单职责明确，父线程只需要接收新连接，子线程完成后续的业务处理。

2. 优点：父线程与子线程的数据交互简单，Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程，子线程无需返回数据。

3. 缺点：编程复杂度较高

Reactor 模式小结

3 种模式用生活案例来理解

1. 单 Reactor 单线程，前台接待员和服务员是同一个人，全程为顾客服

2. 单 Reactor 多线程，1 个前台接待员，多个服务员，接待员只负责接待

3. 主从 Reactor 多线程，多个前台接待员，多个服务生

Reactor 模式具有如下的优点

1. 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然 Reactor 本身依然是同步的（比如你第一个SubReactor阻塞了，我可以调下一个 SubReactor为客户端服务）

2. 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销

3. 扩展性好，可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源

4. 复用性好，Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

Netty 模型

讲解netty的时候采用的是先写代码体验一下，再细讲里面的原理。前面看不懂的可以先不用纠结，先往后面看，后面基本都会讲清楚

工作原理示意图1 - 简单版

1. BossGroup 线程维护 Selector，只关注 Accecpt

2. 当接收到 Accept 事件，获取到对应的 SocketChannel，封装成 NIOScoketChannel 并注册到 Worker 线程（事件循环），并进行维护

3. 当 Worker 线程监听到 Selector 中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理（就由 handler），注意 handler 已经加入到通道

工作原理示意图2 - 进阶版

工作原理示意图3 - 详细版

1. Netty 抽象出两组线程池 ，BossGroup 专门负责接收客户端的连接，WorkerGroup 专门负责网络的读写

2. BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup

3. NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是 NioEventLoop

4. NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 Selector，用于监听绑定在其上的 socket 的网络通讯

5. NioEventLoopGroup 可以有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop

6. 每个
下面的
循环执行的步骤有
步
• 轮询 accept 事件
• 处理 accept 事件，与 client 建立连接，生成 NioScocketChannel，并将其注册到某个 workerGroup NIOEventLoop 上的 Selector
• 继续处理任务队列的任务，即 runAllTasks

7. 每个
循环执行的步骤
• 轮询 read，write 事件
• 处理 I/O 事件，即 read，write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
• 处理任务队列的任务，即 runAllTasks

8. 每个 Worker NIOEventLoop 处理业务时，会使用 pipeline（管道），pipeline 中包含了 channel（通道），即通过 pipeline 可以获取到对应通道，管道中维护了很多的处理器。（这个点目前只是简单的讲，后面重点说）

Netty 快速入门实例 - TCP 服务

1. Netty 服务器在 6668 端口监听，客户端能发送消息给服务器"hello,服务器~"

2. 服务器可以回复消息给客户端"hello,客户端~"

3. 目的：对 Netty 线程模型有一个初步认识，便于理解 Netty 模型理论

4. 编写服务端
1. 编写客户端
2. 对 netty 程序进行分析，看看 netty 模型特点
3. 说明：创建 Maven 项目，并引入 Netty 包

5. 代码如下

NettyServer

NettyServerHandler

NettyClient

NettyClientHandler

任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景

1. 用户程序自定义的普通任务【举例说明】

2. 用户自定义定时任务

3. 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法 例如在推送系统的业务线程里面，根据用户的标识，找到对应的 Channel 引用，然后调用 Write 类方法向该用户推送消息，就会进入到这种场景。最终的 Write 会提交到任务队列中后被异步消费

方案再说明

1. Netty 抽象出两组线程池，BossGroup 专门负责接收客户端连接，WorkerGroup 专门负责网络读写操作。

2. NioEventLoop 表示一个不断循环执行处理任务的线程，每个 NioEventLoop 都有一个 Selector，用于监听绑定在其上的 socket网络通道。

3. NioEventLoop 内部采用串行化设计，从消息的 读取->解码->处理->编码->发送，始终由 IO 线程 NioEventLoop 负责

• NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop

• 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector，一个 taskQueue

• 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel

• 每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上

• 每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline

异步模型

基本介绍

1. 异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的组件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。

2. Netty 中的 I/O 操作是异步的，包括 Bind、Write、Connect 等操作会首先简单的返回一个 ChannelFuture。

3. 调用者并不能立刻获得结果，而是通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。

4. Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的之上的。callback 就是回调。重点说 Future，它的核心思想是：假设一个方法 fun，计算过程可能非常耗时，等待 fun 返回显然不合适。那么可以在调用 fun 的时候，立马返回一个 Future，后续可以通过 Future 去监控方法 fun 的处理过程（即：Future-Listener 机制）

Future 说明

1. 表示异步的执行结果,可以通过它提供的方法来检测执行是否完成，比如检索计算等等。

2. ChannelFuture 是一个接口：public interface ChannelFuture extends Future<Void> 我们可以添加监听器，当监听的事件发生时，就会通知到监听器。

工作原理示意图

1. 在使用 Netty 进行编程时，拦截操作和转换出入站数据只需要您提供 callback 或利用 future 即可。这使得链式操作简单、高效，并有利于编写可重用的、通用的代码。

2. Netty 框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来、解脱出来。

Future-Listener 机制

这里看不懂的可以看笔者的并发系列-JUC部分

1. 当 Future 对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的 ChannelFuture 来获取操作执行的状态，注册监听函数来执行完成后的操作。

2. 常见有如下操作
• 通过 isDone 方法来判断当前操作是否完成；
• 通过 isSuccess 方法来判断已完成的当前操作是否成功；
• 通过 getCause 方法来获取已完成的当前操作失败的原因；
• 通过 isCancelled 方法来判断已完成的当前操作是否被取消；
• 通过 addListener 方法来注册监听器，当操作已完成（isDone方法返回完成），将会通知指定的监听器；如果 Future 对象已完成，则通知指定的监听器

快速入门实例 - HTTP服务

1. 实例要求：使用 IDEA 创建 Netty 项目

2. Netty 服务器在 6668 端口监听，浏览器发出请求 http://localhost:6668/

3. 服务器可以回复消息给客户端"Hello!我是服务器5",并对特定请求资源进行过滤。

4. 目的：Netty 可以做 Http 服务开发，并且理解 Handler 实例和客户端及其请求的关系。

5. 看老师代码演示

TestServer

TestServerInitializer

TestServerHandler

各种东西看不懂，可以先看第三话，第三话我自认为用通俗的语言讲的还算清楚。

Bootstrap、ServerBootstrap

1. Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

2. 常见的方法有
• public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup)，该方法用于服务器端，用来设置两个 EventLoop
• public B group(EventLoopGroup group)，该方法用于客户端，用来设置一个 EventLoop
• public B channel(Class<? extends C> channelClass)，该方法用来设置一个服务器端的通道实现
• public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value)，用来给 ServerChannel 添加配置
• public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value)，用来给接收到的通道添加配置
• public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler)，该方法用来设置业务处理类（自定义的handler）
• public ChannelFuture bind(int inetPort)，该方法用于服务器端，用来设置占用的端口号
• public ChannelFuture connect(String inetHost, int inetPort)，该方法用于客户端，用来连接服务器端

Future、ChannelFuture

• Channel channel()，返回当前正在进行 IO 操作的通道

• ChannelFuture sync()，等待异步操作执行完毕

Channel

1. Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。

2. 通过 Channel 可获得当前网络连接的通道的状态

3. 通过 Channel 可获得网络连接的配置参数（例如接收缓冲区大小）

4. Channel 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成

5. 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方

6. 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序

7. 不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的
类型与之对应，常用的
类型：
• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接，这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

Selector

1. Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

2. 当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询（Select）这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel

ChannelHandler 及其实现类

1. ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline（业务处理链）中的下一个处理程序。

2. ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类

3. ChannelHandler 及其实现类一览图（后）

1. 我们经常需要自定义一个 Handler 类去继承 ChannelInboundHandlerAdapter，然后通过重写相应方法实现业务逻辑，我们接下来看看一般都需要重写哪些方法

Pipeline 和 ChannelPipeline

1. ChannelPipeline 是一个 Handler 的集合，它负责处理和拦截 inbound 或者 outbound 的事件和操作，相当于一个贯穿 Netty 的链。（也可以这样理解：ChannelPipeline 是保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作）

2. ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互

3. 在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下

1. 常用方法 ChannelPipeline addFirst(ChannelHandler... handlers)，把一个业务处理类（handler）添加到链中的第一个位置ChannelPipeline addLast(ChannelHandler... handlers)，把一个业务处理类（handler）添加到链中的最后一个位置

想要更清楚的了解pipeline，可以对之前的代码进行debug，看一下pipeline里究竟有什么东西。

• TestServerInitializer和HttpServerCodec这些东西本身也是handler

• 一般来说事件从客户端往服务器走我们称为出站，反之则是入站。

ChannelHandlerContext

1. 保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象

2. 即 ChannelHandlerContext 中包含一个具体的事件处理器 ChannelHandler，同时 ChannelHandlerContext 中也绑定了对应的 pipeline 和 Channel 的信息，方便对 ChannelHandler 进行调用。

3. 常用方法

• ChannelFuture close()，关闭通道

• ChannelOutboundInvoker flush()，刷新

• ChannelFuture writeAndFlush(Object msg)，将数据写到

• ChannelPipeline 中当前 ChannelHandler 的下一个 ChannelHandler 开始处理（出站）

ChannelOption

1. Netty 在创建 Channel 实例后，一般都需要设置 ChannelOption 参数。

2. ChannelOption 参数如下：

EventLoopGroup 和其实现类 NioEventLoopGroup

1. EventLoopGroup 是一组 EventLoop 的抽象，Netty 为了更好的利用多核 CPU 资源，一般会有多个 EventLoop 同时工作，每个 EventLoop 维护着一个 Selector 实例。

2. EventLoopGroup 提供 next 接口，可以从组里面按照一定规则获取其中一个 EventLoop 来处理任务。在 Netty 服务器端编程中，我们一般都需要提供两个 EventLoopGroup，例如：BossEventLoopGroup 和 WorkerEventLoopGroup。

3. 通常一个服务端口即一个 ServerSocketChannel 对应一个 Selector 和一个 EventLoop 线程。BossEventLoop 负责接收客户端的连接并将 SocketChannel 交给 WorkerEventLoopGroup 来进行 IO 处理，如下图所示

1. 常用方法 public NioEventLoopGroup()，构造方法 public Future<?> shutdownGracefully()，断开连接，关闭线程

Unpooled 类

1. Netty 提供一个专门用来操作缓冲区（即 Netty 的数据容器）的工具类

2. 常用方法如下所示

1. 举例说明 Unpooled 获取 Netty 的数据容器 ByteBuf 的基本使用

Netty 应用实例-群聊系统

1. 编写一个 Netty 群聊系统，实现服务器端和客户端之间的数据简单通讯（非阻塞）

2. 实现多人群聊

3. 服务器端：可以监测用户上线，离线，并实现消息转发功能

4. 客户端：通过 channel 可以无阻塞发送消息给其它所有用户，同时可以接受其它用户发送的消息（有服务器转发得到）

5. 目的：进一步理解 Netty 非阻塞网络编程机制

NettyGroupChatServer

GroupChatServerHandler

NettyGroupChatClient

NettyGroupChatClientHandler

Netty 心跳检测机制案例

1. 编写一个 Netty 心跳检测机制案例,当服务器超过 3 秒没有读时，就提示读空闲

2. 当服务器超过 5 秒没有写操作时，就提示写空闲

3. 实现当服务器超过 7 秒没有读或者写操作时，就提示读写空闲

4. 代码如下：

HeartBeatServer

HeartBeatHandler

Netty 通过 WebSocket 编程实现服务器和客户端长连接

1. Http 协议是无状态的，浏览器和服务器间的请求响应一次，下一次会重新创建连接。

2. 要求：实现基于 WebSocket 的长连接的全双工的交互

3. 改变 Http 协议多次请求的约束，实现长连接了，服务器可以发送消息给浏览器

4. 客户端浏览器和服务器端会相互感知，比如服务器关闭了，浏览器会感知，同样浏览器关闭了，服务器会感知

5. 运行界面





NettyWebSocketServer

NettyWebSocketHandler

网页客户端