作者：李林鋒 原文：http://www.infoq.com/cn/articles/netty-high-performance?utm_source=infoq&utm_campaign=user_page&utm_medium=link
李林鋒，2007年畢業(yè)于東北大學(xué)，2008年進入華為公司從事高性能通信軟件的設(shè)計和開發(fā)工作，有6年NIO設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，精通Netty、Mina等NIO框架。Netty中國社區(qū)創(chuàng)始人，《Netty權(quán)威指南》作者。
1. 背景
1.1. 驚人的性能數(shù)據(jù)
最近一個圈內(nèi)朋友通過私信告訴我，通過使用Netty4 + Thrift壓縮二進制編解碼技術(shù)，他們實現(xiàn)了10W TPS（1K的復(fù)雜POJO對象）的跨節(jié)點遠程服務(wù)調(diào)用。相比于傳統(tǒng)基于Java序列化+BIO（同步阻塞IO）的通信框架，性能提升了8倍多。
事實上，我對這個數(shù)據(jù)并不感到驚訝，根據(jù)我5年多的NIO編程經(jīng)驗，通過選擇合適的NIO框架，加上高性能的壓縮二進制編解碼技術(shù)，精心的設(shè)計Reactor線程模型，達到上述性能指標(biāo)是完全有可能的。
下面我們就一起來看下Netty是如何支持10W TPS的跨節(jié)點遠程服務(wù)調(diào)用的，在正式開始講解之前，我們先簡單介紹下Netty。
1.2. Netty基礎(chǔ)入門
Netty是一個高性能、異步事件驅(qū)動的NIO框架，它提供了對TCP、UDP和文件傳輸?shù)闹С?，作為一個異步NIO框架，Netty的所有IO操作都是異步非阻塞的，通過Future-Listener機制，用戶可以方便的主動獲取或者通過通知機制獲得IO操作結(jié)果。
作為當(dāng)前最流行的NIO框架，Netty在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、大數(shù)據(jù)分布式計算領(lǐng)域、游戲行業(yè)、通信行業(yè)等獲得了廣泛的應(yīng)用，一些業(yè)界著名的開源組件也基于Netty的NIO框架構(gòu)建。
2. Netty高性能之道
2.1. RPC調(diào)用的性能模型分析
2.1.1.?傳統(tǒng)RPC調(diào)用性能差的三宗罪
網(wǎng)絡(luò)傳輸方式問題：傳統(tǒng)的RPC框架或者基于RMI等方式的遠程服務(wù)（過程）調(diào)用采用了同步阻塞IO，當(dāng)客戶端的并發(fā)壓力或者網(wǎng)絡(luò)時延增大之后，同步阻塞IO會由于頻繁的wait導(dǎo)致IO線程經(jīng)常性的阻塞，由于線程無法高效的工作，IO處理能力自然下降。
下面，我們通過BIO通信模型圖看下BIO通信的弊端：
采用BIO通信模型的服務(wù)端，通常由一個獨立的Acceptor線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽客戶端的連接，接收到客戶端連接之后為客戶端連接創(chuàng)建一個新的線程處理請求消息，處理完成之后，返回應(yīng)答消息給客戶端，線程銷毀，這就是典型的一請求一應(yīng)答模型。該架構(gòu)最大的問題就是不具備彈性伸縮能力，當(dāng)并發(fā)訪問量增加后，服務(wù)端的線程個數(shù)和并發(fā)訪問數(shù)成線性正比，由于線程是JAVA虛擬機非常寶貴的系統(tǒng)資源，當(dāng)線程數(shù)膨脹之后，系統(tǒng)的性能急劇下降，隨著并發(fā)量的繼續(xù)增加，可能會發(fā)生句柄溢出、線程堆棧溢出等問題，并導(dǎo)致服務(wù)器最終宕機。
序列化方式問題：Java序列化存在如下幾個典型問題：
1) Java序列化機制是Java內(nèi)部的一種對象編解碼技術(shù)，無法跨語言使用；例如對于異構(gòu)系統(tǒng)之間的對接，Java序列化后的碼流需要能夠通過其它語言反序列化成原始對象（副本），目前很難支持；
2) 相比于其它開源的序列化框架，Java序列化后的碼流太大，無論是網(wǎng)絡(luò)傳輸還是持久化到磁盤，都會導(dǎo)致額外的資源占用；
3) 序列化性能差（CPU資源占用高）。
線程模型問題：由于采用同步阻塞IO，這會導(dǎo)致每個TCP連接都占用1個線程，由于線程資源是JVM虛擬機非常寶貴的資源，當(dāng)IO讀寫阻塞導(dǎo)致線程無法及時釋放時，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致虛擬機無法創(chuàng)建新的線程。
2.1.2. 高性能的三個主題
1) 傳輸：用什么樣的通道將數(shù)據(jù)發(fā)送給對方，BIO、NIO或者AIO，IO模型在很大程度上決定了框架的性能。
2) 協(xié)議：采用什么樣的通信協(xié)議，HTTP或者內(nèi)部私有協(xié)議。協(xié)議的選擇不同，性能模型也不同。相比于公有協(xié)議，內(nèi)部私有協(xié)議的性能通?？梢员辉O(shè)計的更優(yōu)。
3) 線程：數(shù)據(jù)報如何讀??？讀取之后的編解碼在哪個線程進行，編解碼后的消息如何派發(fā)，Reactor線程模型的不同，對性能的影響也非常大。
2.2. Netty高性能之道
2.2.1. 異步非阻塞通信
在IO編程過程中，當(dāng)需要同時處理多個客戶端接入請求時，可以利用多線程或者IO多路復(fù)用技術(shù)進行處理。IO多路復(fù)用技術(shù)通過把多個IO的阻塞復(fù)用到同一個select的阻塞上，從而使得系統(tǒng)在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。與傳統(tǒng)的多線程/多進程模型比，I/O多路復(fù)用的最大優(yōu)勢是系統(tǒng)開銷小，系統(tǒng)不需要創(chuàng)建新的額外進程或者線程，也不需要維護這些進程和線程的運行，降低了系統(tǒng)的維護工作量，節(jié)省了系統(tǒng)資源。
JDK1.4提供了對非阻塞IO（NIO）的支持，JDK1.5_update10版本使用epoll替代了傳統(tǒng)的select/poll，極大的提升了NIO通信的性能。
JDK NIO通信模型如下所示：
與Socket類和ServerSocket類相對應(yīng)，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel兩種不同的套接字通道實現(xiàn)。這兩種新增的通道都支持阻塞和非阻塞兩種模式。阻塞模式使用非常簡單，但是性能和可靠性都不好，非阻塞模式正好相反。開發(fā)人員一般可以根據(jù)自己的需要來選擇合適的模式，一般來說，低負(fù)載、低并發(fā)的應(yīng)用程序可以選擇同步阻塞IO以降低編程復(fù)雜度。但是對于高負(fù)載、高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要使用NIO的非阻塞模式進行開發(fā)。
Netty架構(gòu)按照Reactor模式設(shè)計和實現(xiàn)，它的服務(wù)端通信序列圖如下：
客戶端通信序列圖如下：
Netty的IO線程NioEventLoop由于聚合了多路復(fù)用器Selector，可以同時并發(fā)處理成百上千個客戶端Channel，由于讀寫操作都是非阻塞的，這就可以充分提升IO線程的運行效率，避免由于頻繁IO阻塞導(dǎo)致的線程掛起。另外，由于Netty采用了異步通信模式，一個IO線程可以并發(fā)處理N個客戶端連接和讀寫操作，這從根本上解決了傳統(tǒng)同步阻塞IO一連接一線程模型，架構(gòu)的性能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。
2.2.2. 零拷貝
很多用戶都聽說過Netty具有“零拷貝”功能，但是具體體現(xiàn)在哪里又說不清楚，本小節(jié)就詳細(xì)對Netty的“零拷貝”功能進行講解。
Netty的“零拷貝”主要體現(xiàn)在如下三個方面：
1) Netty的接收和發(fā)送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接內(nèi)存進行Socket讀寫，不需要進行字節(jié)緩沖區(qū)的二次拷貝。如果使用傳統(tǒng)的堆內(nèi)存（HEAP BUFFERS）進行Socket讀寫，JVM會將堆內(nèi)存Buffer拷貝一份到直接內(nèi)存中，然后才寫入Socket中。相比于堆外直接內(nèi)存，消息在發(fā)送過程中多了一次緩沖區(qū)的內(nèi)存拷貝。
2) Netty提供了組合Buffer對象，可以聚合多個ByteBuffer對象，用戶可以像操作一個Buffer那樣方便的對組合Buffer進行操作，避免了傳統(tǒng)通過內(nèi)存拷貝的方式將幾個小Buffer合并成一個大的Buffer。
3) Netty的文件傳輸采用了transferTo方法，它可以直接將文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)Channel，避免了傳統(tǒng)通過循環(huán)write方式導(dǎo)致的內(nèi)存拷貝問題。
下面，我們對上述三種“零拷貝”進行說明，先看Netty 接收Buffer的創(chuàng)建：
每循環(huán)讀取一次消息，就通過ByteBufAllocator的ioBuffer方法獲取ByteBuf對象，下面繼續(xù)看它的接口定義：
當(dāng)進行Socket IO讀寫的時候，為了避免從堆內(nèi)存拷貝一份副本到直接內(nèi)存，Netty的ByteBuf分配器直接創(chuàng)建非堆內(nèi)存避免緩沖區(qū)的二次拷貝，通過“零拷貝”來提升讀寫性能。
下面我們繼續(xù)看第二種“零拷貝”的實現(xiàn)CompositeByteBuf，它對外將多個ByteBuf封裝成一個ByteBuf，對外提供統(tǒng)一封裝后的ByteBuf接口，它的類定義如下：
通過繼承關(guān)系我們可以看出CompositeByteBuf實際就是個ByteBuf的包裝器，它將多個ByteBuf組合成一個集合，然后對外提供統(tǒng)一的ByteBuf接口，相關(guān)定義如下：
添加ByteBuf，不需要做內(nèi)存拷貝，相關(guān)代碼如下：
最后，我們看下文件傳輸?shù)摹傲憧截悺保?/p>
Netty文件傳輸DefaultFileRegion通過transferTo方法將文件發(fā)送到目標(biāo)Channel中，下面重點看FileChannel的transferTo方法，它的API DOC說明如下：
對于很多操作系統(tǒng)它直接將文件緩沖區(qū)的內(nèi)容發(fā)送到目標(biāo)Channel中，而不需要通過拷貝的方式，這是一種更加高效的傳輸方式，它實現(xiàn)了文件傳輸?shù)摹傲憧截悺薄?/p>
2.2.3. 內(nèi)存池
隨著JVM虛擬機和JIT即時編譯技術(shù)的發(fā)展，對象的分配和回收是個非常輕量級的工作。但是對于緩沖區(qū)Buffer，情況卻稍有不同，特別是對于堆外直接內(nèi)存的分配和回收，是一件耗時的操作。為了盡量重用緩沖區(qū)，Netty提供了基于內(nèi)存池的緩沖區(qū)重用機制。下面我們一起看下Netty ByteBuf的實現(xiàn)：
Netty提供了多種內(nèi)存管理策略，通過在啟動輔助類中配置相關(guān)參數(shù)，可以實現(xiàn)差異化的定制。
下面通過性能測試，我們看下基于內(nèi)存池循環(huán)利用的ByteBuf和普通ByteBuf的性能差異。
用例一，使用內(nèi)存池分配器創(chuàng)建直接內(nèi)存緩沖區(qū)：
用例二，使用非堆內(nèi)存分配器創(chuàng)建的直接內(nèi)存緩沖區(qū)：
各執(zhí)行300萬次，性能對比結(jié)果如下所示：
性能測試表明，采用內(nèi)存池的ByteBuf相比于朝生夕滅的ByteBuf，性能高23倍左右（性能數(shù)據(jù)與使用場景強相關(guān)）。
下面我們一起簡單分析下Netty內(nèi)存池的內(nèi)存分配：
繼續(xù)看newDirectBuffer方法，我們發(fā)現(xiàn)它是一個抽象方法，由AbstractByteBufAllocator的子類負(fù)責(zé)具體實現(xiàn)，代碼如下：
代碼跳轉(zhuǎn)到PooledByteBufAllocator的newDirectBuffer方法，從Cache中獲取內(nèi)存區(qū)域PoolArena，調(diào)用它的allocate方法進行內(nèi)存分配：
PoolArena的allocate方法如下：
我們重點分析newByteBuf的實現(xiàn)，它同樣是個抽象方法，由子類DirectArena和HeapArena來實現(xiàn)不同類型的緩沖區(qū)分配，由于測試用例使用的是堆外內(nèi)存，
因此重點分析DirectArena的實現(xiàn)：如果沒有開啟使用sun的unsafe，則
執(zhí)行PooledDirectByteBuf的newInstance方法，代碼如下：
通過RECYCLER的get方法循環(huán)使用ByteBuf對象，如果是非內(nèi)存池實現(xiàn)，則直接創(chuàng)建一個新的ByteBuf對象。從緩沖池中獲取ByteBuf之后，調(diào)用AbstractReferenceCountedByteBuf的setRefCnt方法設(shè)置引用計數(shù)器，用于對象的引用計數(shù)和內(nèi)存回收（類似JVM垃圾回收機制）。
2.2.4. 高效的Reactor線程模型
常用的Reactor線程模型有三種，分別如下：
1) Reactor單線程模型；
2) Reactor多線程模型；
3) 主從Reactor多線程模型
Reactor單線程模型，指的是所有的IO操作都在同一個NIO線程上面完成，NIO線程的職責(zé)如下：
1) 作為NIO服務(wù)端，接收客戶端的TCP連接；
2) 作為NIO客戶端，向服務(wù)端發(fā)起TCP連接；
3) 讀取通信對端的請求或者應(yīng)答消息；
4) 向通信對端發(fā)送消息請求或者應(yīng)答消息。
Reactor單線程模型示意圖如下所示：
由于Reactor模式使用的是異步非阻塞IO，所有的IO操作都不會導(dǎo)致阻塞，理論上一個線程可以獨立處理所有IO相關(guān)的操作。從架構(gòu)層面看，一個NIO線程確實可以完成其承擔(dān)的職責(zé)。例如，通過Acceptor接收客戶端的TCP連接請求消息，鏈路建立成功之后，通過Dispatch將對應(yīng)的ByteBuffer派發(fā)到指定的Handler上進行消息解碼。用戶Handler可以通過NIO線程將消息發(fā)送給客戶端。
對于一些小容量應(yīng)用場景，可以使用單線程模型。但是對于高負(fù)載、大并發(fā)的應(yīng)用卻不合適，主要原因如下：
1) 一個NIO線程同時處理成百上千的鏈路，性能上無法支撐，即便NIO線程的CPU負(fù)荷達到100%，也無法滿足海量消息的編碼、解碼、讀取和發(fā)送；
2) 當(dāng)NIO線程負(fù)載過重之后，處理速度將變慢，這會導(dǎo)致大量客戶端連接超時，超時之后往往會進行重發(fā)，這更加重了NIO線程的負(fù)載，最終會導(dǎo)致大量消息積壓和處理超時，NIO線程會成為系統(tǒng)的性能瓶頸；
3) 可靠性問題：一旦NIO線程意外跑飛，或者進入死循環(huán)，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)通信模塊不可用，不能接收和處理外部消息，造成節(jié)點故障。
為了解決這些問題，演進出了Reactor多線程模型，下面我們一起學(xué)習(xí)下Reactor多線程模型。
Rector多線程模型與單線程模型最大的區(qū)別就是有一組NIO線程處理IO操作，它的原理圖如下：
Reactor多線程模型的特點：
1) 有專門一個NIO線程-Acceptor線程用于監(jiān)聽服務(wù)端，接收客戶端的TCP連接請求；
2) 網(wǎng)絡(luò)IO操作-讀、寫等由一個NIO線程池負(fù)責(zé)，線程池可以采用標(biāo)準(zhǔn)的JDK線程池實現(xiàn)，它包含一個任務(wù)隊列和N個可用的線程，由這些NIO線程負(fù)責(zé)消息的讀取、解碼、編碼和發(fā)送；
3) 1個NIO線程可以同時處理N條鏈路，但是1個鏈路只對應(yīng)1個NIO線程，防止發(fā)生并發(fā)操作問題。
在絕大多數(shù)場景下，Reactor多線程模型都可以滿足性能需求；但是，在極特殊應(yīng)用場景中，一個NIO線程負(fù)責(zé)監(jiān)聽和處理所有的客戶端連接可能會存在性能問題。例如百萬客戶端并發(fā)連接，或者服務(wù)端需要對客戶端的握手消息進行安全認(rèn)證，認(rèn)證本身非常損耗性能。在這類場景下，單獨一個Acceptor線程可能會存在性能不足問題，為了解決性能問題，產(chǎn)生了第三種Reactor線程模型-主從Reactor多線程模型。
主從Reactor線程模型的特點是：服務(wù)端用于接收客戶端連接的不再是個1個單獨的NIO線程，而是一個獨立的NIO線程池。Acceptor接收到客戶端TCP連接請求處理完成后（可能包含接入認(rèn)證等），將新創(chuàng)建的SocketChannel注冊到IO線程池（sub reactor線程池）的某個IO線程上，由它負(fù)責(zé)SocketChannel的讀寫和編解碼工作。Acceptor線程池僅僅只用于客戶端的登陸、握手和安全認(rèn)證，一旦鏈路建立成功，就將鏈路注冊到后端subReactor線程池的IO線程上，由IO線程負(fù)責(zé)后續(xù)的IO操作。
它的線程模型如下圖所示：
利用主從NIO線程模型，可以解決1個服務(wù)端監(jiān)聽線程無法有效處理所有客戶端連接的性能不足問題。因此，在Netty的官方demo中，推薦使用該線程模型。
事實上，Netty的線程模型并非固定不變，通過在啟動輔助類中創(chuàng)建不同的EventLoopGroup實例并通過適當(dāng)?shù)膮?shù)配置，就可以支持上述三種Reactor線程模型。正是因為Netty 對Reactor線程模型的支持提供了靈活的定制能力，所以可以滿足不同業(yè)務(wù)場景的性能訴求。
2.2.5. 無鎖化的串行設(shè)計理念
在大多數(shù)場景下，并行多線程處理可以提升系統(tǒng)的并發(fā)性能。但是，如果對于共享資源的并發(fā)訪問處理不當(dāng)，會帶來嚴(yán)重的鎖競爭，這最終會導(dǎo)致性能的下降。為了盡可能的避免鎖競爭帶來的性能損耗，可以通過串行化設(shè)計，即消息的處理盡可能在同一個線程內(nèi)完成，期間不進行線程切換，這樣就避免了多線程競爭和同步鎖。
為了盡可能提升性能，Netty采用了串行無鎖化設(shè)計，在IO線程內(nèi)部進行串行操作，避免多線程競爭導(dǎo)致的性能下降。表面上看，串行化設(shè)計似乎CPU利用率不高，并發(fā)程度不夠。但是，通過調(diào)整NIO線程池的線程參數(shù)，可以同時啟動多個串行化的線程并行運行，這種局部無鎖化的串行線程設(shè)計相比一個隊列-多個工作線程模型性能更優(yōu)。
Netty的串行化設(shè)計工作原理圖如下：
Netty的NioEventLoop讀取到消息之后，直接調(diào)用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg)，只要用戶不主動切換線程，一直會由NioEventLoop調(diào)用到用戶的Handler，期間不進行線程切換，這種串行化處理方式避免了多線程操作導(dǎo)致的鎖的競爭，從性能角度看是最優(yōu)的。
2.2.6. 高效的并發(fā)編程
Netty的高效并發(fā)編程主要體現(xiàn)在如下幾點：
1) volatile的大量、正確使用;
2) CAS和原子類的廣泛使用；
3) 線程安全容器的使用；
4) 通過讀寫鎖提升并發(fā)性能。
如果大家想了解Netty高效并發(fā)編程的細(xì)節(jié)，可以閱讀之前我在微博分享的《多線程并發(fā)編程在 Netty 中的應(yīng)用分析》，在這篇文章中對Netty的多線程技巧和應(yīng)用進行了詳細(xì)的介紹和分析。
2.2.7. 高性能的序列化框架
影響序列化性能的關(guān)鍵因素總結(jié)如下：
1) 序列化后的碼流大?。ňW(wǎng)絡(luò)帶寬的占用）；
2) 序列化&反序列化的性能（CPU資源占用）；
3) 是否支持跨語言（異構(gòu)系統(tǒng)的對接和開發(fā)語言切換）。
Netty默認(rèn)提供了對Google Protobuf的支持，通過擴展Netty的編解碼接口，用戶可以實現(xiàn)其它的高性能序列化框架，例如Thrift的壓縮二進制編解碼框架。
下面我們一起看下不同序列化&反序列化框架序列化后的字節(jié)數(shù)組對比：
從上圖可以看出，Protobuf序列化后的碼流只有Java序列化的1/4左右。正是由于Java原生序列化性能表現(xiàn)太差，才催生出了各種高性能的開源序列化技術(shù)和框架（性能差只是其中的一個原因，還有跨語言、IDL定義等其它因素）。
2.2.8. 靈活的TCP參數(shù)配置能力
合理設(shè)置TCP參數(shù)在某些場景下對于性能的提升可以起到顯著的效果，例如SO_RCVBUF和SO_SNDBUF。如果設(shè)置不當(dāng)，對性能的影響是非常大的。下面我們總結(jié)下對性能影響比較大的幾個配置項：
1) SO_RCVBUF和SO_SNDBUF：通常建議值為128K或者256K；
2) SO_TCPNODELAY：NAGLE算法通過將緩沖區(qū)內(nèi)的小封包自動相連，組成較大的封包，阻止大量小封包的發(fā)送阻塞網(wǎng)絡(luò)，從而提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效率。但是對于時延敏感的應(yīng)用場景需要關(guān)閉該優(yōu)化算法；
3) 軟中斷：如果Linux內(nèi)核版本支持RPS（2.6.35以上版本），開啟RPS后可以實現(xiàn)軟中斷，提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。RPS根據(jù)數(shù)據(jù)包的源地址，目的地址以及目的和源端口，計算出一個hash值，然后根據(jù)這個hash值來選擇軟中斷運行的cpu，從上層來看，也就是說將每個連接和cpu綁定，并通過這個hash值，來均衡軟中斷在多個cpu上，提升網(wǎng)絡(luò)并行處理性能。
Netty在啟動輔助類中可以靈活的配置TCP參數(shù)，滿足不同的用戶場景。相關(guān)配置接口定義如下：
2.3. 總結(jié)
通過對Netty的架構(gòu)和性能模型進行分析，我們發(fā)現(xiàn)Netty架構(gòu)的高性能是被精心設(shè)計和實現(xiàn)的，得益于高質(zhì)量的架構(gòu)和代碼，Netty支持10W TPS的跨節(jié)點服務(wù)調(diào)用并不是件十分困難的事情。
3. 作者簡介
李林鋒，2007年畢業(yè)于東北大學(xué)，2008年進入華為公司從事高性能通信軟件的設(shè)計和開發(fā)工作，有6年NIO設(shè)計和開發(fā)經(jīng)驗，精通Netty、Mina等NIO框架。Netty中國社區(qū)創(chuàng)始人，《Netty權(quán)威指南》作者。
