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《netty in action》读书笔记

2017年06月14日

前言

java nio

the earliest versions of java introduced enough of an object-oriented facade to hide some of the thornier details.but those first java apis supported only the so-called blocking functions provided by the native system socket libraries.

相当的java库就是对底层c库做object-oriented facade

java nio provide considerably more control over the utiliaztion of network resources:

  • Using setsockopt(),you can configure sockets so that read/write calls will return immediately if there is no data; 是不是blocking其实就是socket 的一个opt,不用牵扯其它的
  • you can register a set of non-blocking sockets using the system’s event notification api to determine whether any of them have data ready for reading or writing.

select 其实是一种event notification service

this model provides much better resource management than the blocking i/o model:

  • many connecitons can be handled with fewer threads,and thus with far less overhead due to memory management and context-switching. 为每个线程分配栈空间是要占内存的
  • threads can be retargeted to other tasks when there is no i/o to handle.这个retargeted很传神

netty

在提交netty的一些组件时,作者提到think of them as domain objects rather than concrete java classes.

Channel、ChannelPipeline、ChannelHandler和ChannelHandlerContext的一对一、一对多关系

netty is asynchronous and event-driven.

every new channel that is created is assigned a new ChannelPipeline.This association is permanent;the channel can neither attach another ChannelPipeline nor detach the current one.

a ChannelHandlerContext represents an association between a ChannelHandler and ChannelPipeline and is created whenever a ChannelHandler is added to a ChannelPipeline.

the movement from one handler to the next at the ChannelHandler level is invoked on the ChannelHandlerContext.

a ChannelHandler can belong to more than one ChannelPipeline,it can be bound to multiple ChannelHandlerContext instances.

thread model

同步io,线程和连接通常要维持一对一关系。异步io才可以一个线程处理多个io。

首先,netty的数据处理模型

  1. 以event notification 来处理io
  2. event分为inbound 和 outbound
  3. event 由handler处理,handler形成一个链pipeline

数据处理模型与线程模型的结合,便是

  1. channel和eventloop是多对一关系
  2. channel的inbound和outbound事件全部由eventloop处理
  3. 根据1和2,outbound事件可以由多个calling thread触发,但只能由一个eventloop处理。那么就需要将多线程调用转换为任务队列。

the basic idea of an event loop

while(!terminated){
	List<Runnable> readyEvents = blockUntilEventsReady();
	for(Runnable ev: readyEvents){
		ev.run();
	}
}

how netty works

笔者曾经读过一本书《how tomcat works》,从第一个例子十几行代码开始讲述tomcat是如何写出来的,此处也用类似的风格描述下。

我们先从一个最简单的NIOServer代码示例开始,单线程模型:

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Selector selector = Selector.open();
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        while (true) {
        	   // 所有连接、所有事件阻塞在一处 
            selector.select(1000);
            Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
            SelectionKey key = null;
            while (it.hasNext()) {
                key = it.next();
                it.remove();
                handleKey(key);
            }
        }
    }
    public static void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {
        if (key.isAcceptable()) {
            // Accept the new connection
            ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel sc = ssc.accept();
            sc.configureBlocking(false);
            // Add the new connection to the selector
            sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
            System.out.println("accept...");
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            // handle buffer
            int count = sc.read(readBuffer);
            if (count > 0) {
                String receiveText = new String(readBuffer.array(), 0, count);
                System.out.println("服务器端接受客户端数据--:" + receiveText);
            }
        }
    }
}

以下忽略main方法的书写。

我们对上述代码进行简单的抽取,将while(it.hasNext()){..},handleKey(){...}抽取到一个worker线程中。这样的线程有个学名,叫eventloop,于是

class NIOServer{
	main(){
		ServerSocketChannel ...
   	while(true){
   		selector.select(1000);
   		new Worker(SelectionKey).start();
   	}
	}
}

当然了,大家都提倡将acceptable和read/write event分开,我们可以换个方式抽取原始代码:boss和worker线程都执行while(true){selector.select(1000);...},只不过boss专门处理acceptable事件,worker只处理r/w事件。

class NIOServer{
	ServerSocketChannel ...
    Selector selectror = ...
    new Boss(selector).start();
	 new Worker(selector).start();
}

boss和worker共享一个selector虽然简单,但是扩展性太低,因此让boss和worker各用各的selector,boss thread accept得到的socketchannel通过queue传给worker,worker从queue中取下socketChannel”消费”(将socketChannel注册到selector上,interest读写事件)。简单实现如下:

class NIOServer{
    Queue<SocketChannel> queue = ...
    new Boss(queue).start();
    new Worker(queue).start();
}

除了共享queue,传递新accept的socket channel另一种方法是,boss thread保有worker thread的引用,worker thread除了run方法,还提供registerSocketChannel等方法。这样,boos thread就可以通过worker.registerSocketChannel把得到的SocketChannel注册到worker thread 的selector。

说句题外话,笔者以前分解的代码都是静态的,简单的说就是将一个类分解为多个类。本例中,代码分解涉及到了线程,线程对象不只有一个run方法,还可以具备registerChannel的功能。所以,在nio中,线程模型与nio通信代码的结合,不只是new Thread(runnable).start()去驱动代码执行,还深入到了代码的分解与抽象中。

然后再将Boss和worker线程池化,是不是功德圆满了呢?还没有.

nio类库提供给用户的三个基本操作类bytebuffer,channel,selector,虽然抽象程度低,但简单明了,直接提供read/write data的接口。以我们目前的抽象,netty程序的驱动来自boss和worker thread,问题来了?读取的数据怎么处理(尤其是复杂的处理),我们如何主动地写入数据呢?总得给用户一个入口对象。(任何框架,总得有一个入口对象供用户使用,比如fastjson,JSON对象就是其对应的入口对应。比如rabbitMQ,messageListner是其读入口对象,rabbitTemplate是其写入口对象)。

netty选择将channel作为写的入口对象,将channel从worker thread中提取出来,channel提出来之后,worker thread便需要提供自己(内部的selector)与channel交互的手段,比如register方法。

channel提出来之后,读写数据的具体逻辑代码也要跟着channel提取出来,这样worker thread中的代码可以更简洁。但本质上还是worker.handlekey才知道什么时候读到了数据,什么时候可以写数据。因此,channel支持触发数据的读写,但读写数据的时机还是由work thread决定。我们要对channel作一定的封装。伪代码如下

ChannelFacade{
    channel	// 实际的channel
    writeBuffer	// 发送缓冲区 
    handleReadData(Buffer){}	// 如何处理读到的数据,由worker thread触发	
    write()					// 对外提供的写数据接口
    doWrite()			// 实际写数据,由workerThread触发
    workerThread		// 对应的Channel
}
class NIOServer{
        ServerSocektChannel srvSocketChannel = ...
    new Boss(srvSocketChannel){};
    new Worker().start();
}
class Boss extends Thread{
    public void run(){
        SocketChannel socketChannel = srvSocketChannel.accept();
        ChannelFacade cf = facade(socketChannel);
        worker.register(cf); //如果cf保有workerThread引用的话,也可以
        cf.register();
    }
} 

将channel与其对应的reactor线程剥离之后,一个重要的问题是:如何确保channel.read/write是线程安全的。一段代码总在一个线程下执行,那么这段代码就是线程安全的,每个channel(或channel对应的channelhandler,ChannelhandlerContext)持有其约定reactor线程的引用,每次执行时判断下:如果在绑定的reactor线程,则直接执行,如果不在约定线程,则向约定线程提交本任务。

channelhandler一门心思处理业务数据,channelhandlercontenxt触发事件函数的调用,并保证其在绑定的reactor线程下执行

这样,我们就以《how tomcat works》的方式,猜想了netty的主要实现思路,当然,netty的实现远较这个复杂。但复杂在提高健壮性、丰富特性上,主要的思路应该是这样的。

几种io模型代码的直观感受

《Netty权威指南》开篇使用各种io模型实现了一个TimeServer和TimeClient

BIO的实现

public class TimeServer{
    public static void main(String[] args){
        ServerSocket serverSocket = null;
        ...
        while(true){
            Socket socket = serverSocket.accept();
            new Thread(new TimeServerHandler()).start();
        }
    }
}
public class TimeServerHandler implements Runnable{
    private Socket socket;
    public void run(){
        BufferedReader in = null;
        PrintWriter out = null;
        try{...}catch(Exception e){...}
    }
}

NIO的实现

public class TimeServerHandler implements Runnable{
    private selector selector;
    private ServerSocketChannel servChannel
    public void run(){...}
}

AIO的实现

public class TimeServerHandler implements Runnable{
    AsynchronousServerSocketChannel asyncServerSocketChannel;
    public void run(){
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        asyncServerSocketChannel.accept(this,new CompletionHandler(){
            public void completed(AsynchronousSocketChannel channel,TimeServerHandler attachment){
                channel opt...
            }
        });
        latch.await();
    }
}

网络数据读写,一方是用户线程,一方是内核处理,AIO、NIO和BIO,正体现了生产者和消费者两方线程的几种交互方式。从TimeServerHandler类成员的不同,就可以看到使用方式的差异。AIO和NIO都需要我们显式的提供线程去驱动数据的读写和处理,AIO由jdk底层的线层池负责回调,并驱动读写操作。