Netty到底是什么

从HTTP说起

有了Netty，你可以实现自己的HTTP服务器，FTP服务器，UDP服务器，RPC服务器，WebSocket服务器，Redis的Proxy服务器，MySQL的Proxy服务器等等。

我们回顾一下传统的HTTP服务器的原理

1、创建一个ServerSocket，监听并绑定一个端口

2、一系列客户端来请求这个端口

3、服务器使用Accept，获得一个来自客户端的Socket连接对象

4、启动一个新线程处理连接

4.1、读Socket，得到字节流

4.2、解码协议，得到Http请求对象

4.3、处理Http请求，得到一个结果，封装成一个HttpResponse对象

4.4、编码协议，将结果序列化字节流写Socket，将字节流发给客户端

5、继续循环步骤3

HTTP服务器之所以称为HTTP服务器，是因为编码解码协议是HTTP协议，如果协议是Redis协议，那它就成了Redis服务器，如果协议是WebSocket，那它就成了WebSocket服务器，等等。使用Netty你就可以定制编解码协议，实现自己的特定协议的服务器。

NIO

上面是一个传统处理http的服务器，但是在高并发的环境下，线程数量会比较多，System load也会比较高，于是就有了NIO。

他并不是Java独有的概念，NIO代表的一个词汇叫着IO多路复用。它是由操作系统提供的系统调用，早期这个操作系统调用的名字是select，但是性能低下，后来渐渐演化成了Linux下的epoll和Mac里的kqueue。我们一般就说是epoll，因为没有人拿苹果电脑作为服务器使用对外提供服务。而Netty就是基于Java NIO技术封装的一套框架。为什么要封装，因为原生的Java NIO使用起来没那么方便，而且还有臭名昭著的bug，Netty把它封装之后，提供了一个易于操作的使用模式和接口，用户使用起来也就便捷多了。

说NIO之前先说一下BIO（Blocking IO）,如何理解这个Blocking呢？

客户端监听（Listen）时，Accept是阻塞的，只有新连接来了，Accept才会返回，主线程才能继
读写socket时，Read是阻塞的，只有请求消息来了，Read才能返回，子线程才能继续处理
读写socket时，Write是阻塞的，只有客户端把消息收了，Write才能返回，子线程才能继续读取下一个请求

传统的BIO模式下，从头到尾的所有线程都是阻塞的，这些线程就干等着，占用系统的资源，什么事也不干。

那么NIO是怎么做到非阻塞的呢。它用的是事件机制。它可以用一个线程把Accept，读写操作，请求处理的逻辑全干了。如果什么事都没得做，它也不会死循环，它会将线程休眠起来，直到下一个事件来了再继续干活，这样的一个线程称之为NIO线程。用伪代码表示：

while true {
    events = takeEvents(fds)  // 获取事件，如果没有事件，线程就休眠
    for event in events {
        if event.isAcceptable {
            doAccept() // 新链接来了
        } elif event.isReadable {
            request = doRead() // 读消息
            if request.isComplete() {
                doProcess()
            }
        } elif event.isWriteable {
            doWrite()  // 写消息
        }
    }
}

Reactor线程模型

Reactor单线程模型

一个NIO线程+一个accept线程：

Reactor多线程模型

Reactor主从模型

主从Reactor多线程：多个acceptor的NIO线程池用于接受客户端的连接

Netty可以基于如上三种模型进行灵活的配置。

总结

Netty是建立在NIO基础之上，Netty在NIO之上又提供了更高层次的抽象。

在Netty里面，Accept连接可以使用单独的线程池去处理，读写操作又是另外的线程池来处理。

Accept连接和读写操作也可以使用同一个线程池来进行处理。而请求处理逻辑既可以使用单独的线程池进行处理，也可以跟放在读写线程一块处理。线程池中的每一个线程都是NIO线程。用户可以根据实际情况进行组装，构造出满足系统需求的高性能并发模型。

为什么选择Netty

如果不用netty，使用原生JDK的话，有如下问题：

1、API复杂

2、对多线程很熟悉：因为NIO涉及到Reactor模式

3、高可用的话：需要出路断连重连、半包读写、失败缓存等问题

4、JDK NIO的bug

而Netty来说，他的api简单、性能高而且社区活跃（dubbo、rocketmq等都使用了它）

什么是TCP 粘包/拆包

现象

先看如下代码，这个代码是使用netty在client端重复写100次数据给server端，ByteBuf是netty的一个字节容器，里面存放是的需要发送的数据

public class FirstClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {    
    @Override    
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {       
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {            
            ByteBuf buffer = getByteBuf(ctx);            
            ctx.channel().writeAndFlush(buffer);        
        }    
    }    
    private ByteBuf getByteBuf(ChannelHandlerContext ctx) {        
        byte[] bytes = "你好，我的名字是1234567!".getBytes(Charset.forName("utf-8"));        
        ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer();        
        buffer.writeBytes(bytes);        
        return buffer;    
    }
}

从client端读取到的数据为：

从服务端的控制台输出可以看出，存在三种类型的输出

一种是正常的字符串输出。
一种是多个字符串“粘”在了一起，我们定义这种 ByteBuf 为粘包。
一种是一个字符串被“拆”开，形成一个破碎的包，我们定义这种 ByteBuf 为半包。

透过现象分析原因

应用层面使用了Netty，但是对于操作系统来说，只认TCP协议，尽管我们的应用层是按照 ByteBuf 为单位来发送数据，server按照Bytebuf读取，但是到了底层操作系统仍然是按照字节流发送数据，因此，数据到了服务端，也是按照字节流的方式读入，然后到了 Netty 应用层面，重新拼装成 ByteBuf，而这里的 ByteBuf 与客户端按顺序发送的 ByteBuf 可能是不对等的。因此，我们需要在客户端根据自定义协议来组装我们应用层的数据包，然后在服务端根据我们的应用层的协议来组装数据包，这个过程通常在服务端称为拆包，而在客户端称为粘包。

拆包和粘包是相对的，一端粘了包，另外一端就需要将粘过的包拆开，发送端将三个数据包粘成两个 TCP 数据包发送到接收端，接收端就需要根据应用协议将两个数据包重新组装成三个数据包。

如何解决

在没有 Netty 的情况下，用户如果自己需要拆包，基本原理就是不断从 TCP 缓冲区中读取数据，每次读取完都需要判断是否是一个完整的数据包如果当前读取的数据不足以拼接成一个完整的业务数据包，那就保留该数据，继续从 TCP 缓冲区中读取，直到得到一个完整的数据包。如果当前读到的数据加上已经读取的数据足够拼接成一个数据包，那就将已经读取的数据拼接上本次读取的数据，构成一个完整的业务数据包传递到业务逻辑，多余的数据仍然保留，以便和下次读到的数据尝试拼接。

而在Netty中，已经造好了许多类型的拆包器，我们直接用就好：

选好拆包器后，在代码中client段和server端将拆包器加入到chanelPipeline之中就好了:

如上实例中：

客户端：

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(31));

服务端：

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(31));

Netty 的零拷贝

传统意义的拷贝

是在发送数据的时候，传统的实现方式是：

1. `File.read(bytes)`
2. `Socket.send(bytes)`
这种方式需要四次数据拷贝和四次上下文切换：

1. 数据从磁盘读取到内核的read buffer

    2. 数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区
    3. 数据从用户缓冲区拷贝到内核的socket buffer
    4. 数据从内核的socket buffer拷贝到网卡接口（硬件）的缓冲区

零拷贝的概念

明显上面的第二步和第三步是没有必要的，通过java的FileChannel.transferTo方法，可以避免上面两次多余的拷贝（当然这需要底层操作系统支持）

1. 调用transferTo,数据从文件由DMA引擎拷贝到内核read buffer

2. 接着DMA从内核read buffer将数据拷贝到网卡接口buffer

上面的两次操作都不需要CPU参与，所以就达到了零拷贝。

Netty中的零拷贝

主要体现在三个方面：

1、bytebuffer

Netty发送和接收消息主要使用bytebuffer，bytebuffer使用对外内存（DirectMemory）直接进行Socket读写。

原因：如果使用传统的堆内存进行Socket读写，JVM会将堆内存buffer拷贝一份到直接内存中然后再写入socket，多了一次缓冲区的内存拷贝。DirectMemory中可以直接通过DMA发送到网卡接口

2、Composite Buffers

传统的ByteBuffer，如果需要将两个ByteBuffer中的数据组合到一起，我们需要首先创建一个size=size1+size2大小的新的数组，然后将两个数组中的数据拷贝到新的数组中。但是使用Netty提供的组合ByteBuf，就可以避免这样的操作，因为CompositeByteBuf并没有真正将多个Buffer组合起来，而是保存了它们的引用，从而避免了数据的拷贝，实现了零拷贝。