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今天我会对 NIO 进行一些补充,在[专栏第 11 讲](http://time.geekbang.org/column/article/8369)中,我们初步接触了 Java 提供的几种 IO 机制,作为语言基础类库,Java 自身的 NIO 设计更偏底层,这本无可厚非,但是对于一线的应用开发者,其复杂性、扩展性等方面,就存在一定的局限了。在基础 NIO 之上,Netty 构建了更加易用、高性能的网络框架,广泛应用于互联网、游戏、电信等各种领域。 今天我要问你的问题是,对比 Java 标准 NIO 类库,你知道 Netty 是如何实现更高性能的吗? ## 典型回答 单独从性能角度,Netty 在基础的 NIO 等类库之上进行了很多改进,例如: * 更加优雅的 Reactor 模式实现、灵活的线程模型、利用 EventLoop 等创新性的机制,可以非常高效地管理成百上千的 Channel。 * 充分利用了 Java 的 Zero-Copy 机制,并且从多种角度,“斤斤计较”般的降低内存分配和回收的开销。例如,使用池化的 Direct Buffer 等技术,在提高 IO 性能的同时,减少了对象的创建和销毁;利用反射等技术直接操纵 SelectionKey,使用数组而不是 Java 容器等。 * 使用更多本地代码。例如,直接利用 JNI 调用 Open SSL 等方式,获得比 Java 内建 SSL 引擎更好的性能。 * 在通信协议、序列化等其他角度的优化。 总的来说,Netty 并没有 Java 核心类库那些强烈的通用性、跨平台等各种负担,针对性能等特定目标以及 Linux 等特定环境,采取了一些极致的优化手段。 ## 考点分析 这是一个比较开放的问题,我给出的回答是个概要性的举例说明。面试官很可能利用这种开放问题作为引子,针对你回答的一个或者多个点,深入探讨你在不同层次上的理解程度。 在面试准备中,兼顾整体性的同时,不要忘记选定个别重点进行深入理解掌握,最好是进行源码层面的深入阅读和实验。如果你希望了解更多从性能角度 Netty 在编码层面的手段,可以参考 Norman 在 Devoxx 上的[分享](https://speakerdeck.com/normanmaurer/writing-highly-performant-network-frameworks-on-the-jvm-a-love-hate-relationship),其中的很多技巧对于实现极致性能的 API 有一定借鉴意义,但在一般的业务开发中要谨慎采用。 虽然提到 Netty,人们会自然地想到高性能,但是 Netty 本身的优势不仅仅只有这一个方面, 下面我会侧重两个方面: * 对 Netty 进行整体介绍,帮你了解其基本组成。 * 从一个简单的例子开始,对比在[第 11 讲](http://time.geekbang.org/column/article/8369)中基于 IO、NIO 等标准 API 的实例,分析它的技术要点,给你提供一个进一步深入学习的思路。 ## 知识扩展 首先,我们从整体了解一下 Netty。按照官方定义,它是一个异步的、基于事件 Client/Server 的网络框架,目标是提供一种简单、快速构建网络应用的方式,同时保证高吞吐量、低延时、高可靠性。 从设计思路和目的上,Netty 与 Java 自身的 NIO 框架相比有哪些不同呢? 我们知道 Java 的标准类库,由于其基础性、通用性的定位,往往过于关注技术模型上的抽象,而不是从一线应用开发者的角度去思考。我曾提到过,引入并发包的一个重要原因就是,应用开发者使用 Thread API 比较痛苦,需要操心的不仅仅是业务逻辑,而且还要自己负责将其映射到 Thread 模型上。Java NIO 的设计也有类似的特点,开发者需要深入掌握线程、IO、网络等相关概念,学习路径很长,很容易导致代码复杂、晦涩,即使是有经验的工程师,也难以快速地写出高可靠性的实现。 Netty 的设计强调了 “**Separation Of Concerns**”,通过精巧设计的事件机制,将业务逻辑和无关技术逻辑进行隔离,并通过各种方便的抽象,一定程度上填补了了基础平台和业务开发之间的鸿沟,更有利于在应用开发中普及业界的最佳实践。 另外,**Netty > java.nio + java. net!** 从 API 能力范围来看,Netty 完全是 Java NIO 框架的一个大大的超集,你可以参考 Netty 官方的模块划分。 ![](https://img.kancloud.cn/f5/de/f5de2483afd924b90ea09b656f4fced8_572x329.png) 除了核心的事件机制等,Netty 还额外提供了很多功能,例如: * 从网络协议的角度,Netty 除了支持传输层的 UDP、TCP、[SCTP](https://en.wikipedia.org/wiki/Stream_Control_Transmission_Protocol)协议,也支持 HTTP(s)、WebSocket 等多种应用层协议,它并不是单一协议的 API。 * 在应用中,需要将数据从 Java 对象转换成为各种应用协议的数据格式,或者进行反向的转换,Netty 为此提供了一系列扩展的编解码框架,与应用开发场景无缝衔接,并且性能良好。 * 它扩展了 Java NIO Buffer,提供了自己的 ByteBuf 实现,并且深度支持 Direct Buffer 等技术,甚至 hack 了 Java 内部对 Direct Buffer 的分配和销毁等。同时,Netty 也提供了更加完善的 Scatter/Gather 机制实现。 可以看到,Netty 的能力范围大大超过了 Java 核心类库中的 NIO 等 API,可以说它是一个从应用视角出发的产物。 当然,对于基础 API 设计,Netty 也有自己独到的见解,未来 Java NIO API 也可能据此进行一定的改进,如果你有兴趣可以参考[JDK-8187540](https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8187540)。 接下来,我们一起来看一个入门的代码实例,看看 Netty 应用到底是什么样子。 与[第 11 讲](http://time.geekbang.org/column/article/8369)类似,同样是以简化的 Echo Server 为例,下图是 Netty 官方提供的 Server 部分,完整用例请点击[链接](http://netty.io/4.1/xref/io/netty/example/echo/package-summary.html)。 ![](https://img.kancloud.cn/97/f1/97f1f65e7277681a9e6da818832c8342_784x738.png) 上面的例子,虽然代码很短,但已经足够体现出 Netty 的几个核心概念,请注意我用红框标记出的部分: * [ServerBootstrap](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/bootstrap/ServerBootstrap.java),服务器端程序的入口,这是 Netty 为简化网络程序配置和关闭等生命周期管理,所引入的 Bootstrapping 机制。我们通常要做的创建 Channel、绑定端口、注册 Handler 等,都可以通过这个统一的入口,以**Fluent**API 等形式完成,相对简化了 API 使用。与之相对应,[Bootstrap](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/bootstrap/Bootstrap.java)则是 Client 端的通常入口。 * [Channel](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/channel/Channel.java),作为一个基于 NIO 的扩展框架,Channel 和 Selector 等概念仍然是 Netty 的基础组件,但是针对应用开发具体需求,提供了相对易用的抽象。 * [EventLoop](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/channel/EventLoop.java),这是 Netty 处理事件的核心机制。例子中使用了 EventLoopGroup。我们在 NIO 中通常要做的几件事情,如注册感兴趣的事件、调度相应的 Handler 等,都是 EventLoop 负责。 * [ChannelFuture](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/channel/ChannelFuture.java),这是 Netty 实现异步 IO 的基础之一,保证了同一个 Channel 操作的调用顺序。Netty 扩展了 Java 标准的 Future,提供了针对自己场景的特有[Future](https://github.com/netty/netty/blob/eb7f751ba519cbcab47d640cd18757f09d077b55/common/src/main/java/io/netty/util/concurrent/Future.java)定义。 * ChannelHandler,这是应用开发者**放置业务逻辑的主要地方**,也是我上面提到的“Separation Of Concerns”原则的体现。 * [ChannelPipeline](https://github.com/netty/netty/blob/2c13f71c733c5778cd359c9148f50e63d1878f7f/transport/src/main/java/io/netty/channel/ChannelPipeline.java),它是 ChannelHandler 链条的容器,每个 Channel 在创建后,自动被分配一个 ChannelPipeline。在上面的示例中,我们通过 ServerBootstrap 注册了 ChannelInitializer,并且实现了 initChannel 方法,而在该方法中则承担了向 ChannelPipleline 安装其他 Handler 的任务。 你可以参考下面的简化示意图,忽略 Inbound/OutBound Handler 的细节,理解这几个基本单元之间的操作流程和对应关系。 ![](https://img.kancloud.cn/77/45/77452800d6567dbf202583a9308421fa_568x533.png) 对比 Java 标准 NIO 的代码,Netty 提供的相对高层次的封装,减少了对 Selector 等细节的操纵,而 EventLoop、Pipeline 等机制则简化了编程模型,开发者不用担心并发等问题,在一定程度上简化了应用代码的开发。最难能可贵的是,这一切并没有以可靠性、可扩展性为代价,反而将其大幅度提高。 我在[专栏周末福利](http://time.geekbang.org/column/article/12188)中已经推荐了 Norman Maurer 等编写的《Netty 实战》(Netty In Action),如果你想系统学习 Netty,它会是个很好的入门参考。针对 Netty 的一些实现原理,很可能成为面试中的考点,例如: * Reactor 模式和 Netty 线程模型。 * Pipelining、EventLoop 等部分的设计实现细节。 * Netty 的内存管理机制、[引用计数](http://netty.io/wiki/reference-counted-objects.html)等特别手段。 * 有的时候面试官也喜欢对比 Java 标准 NIO API,例如,你是否知道 Java NIO 早期版本中的 Epoll[空转问题](http://www.10tiao.com/html/308/201602/401718035/1.html),以及 Netty 的解决方式等。 对于这些知识点,公开的深入解读已经有很多了,在学习时希望你不要一开始就被复杂的细节弄晕,可以结合实例,逐步、有针对性的进行学习。我的一个建议是,可以试着画出相应的示意图,非常有助于理解并能清晰阐述自己的看法。 今天,从 Netty 性能的问题开始,我概要地介绍了 Netty 框架,并且以 Echo Server 为例,对比了 Netty 和 Java NIO 在设计上的不同。但这些都仅仅是冰山的一角,全面掌握还需要下非常多的功夫。 ## 一课一练 关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗?今天的思考题是,Netty 的线程模型是什么样的?