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实践总结:Netty3.x VS Netty4.x的线程模型

前言


通过作者前篇文章《实践总结:Netty3.x升级Netty4.x遇到的那些坑(线程篇)》进行分析和总结,我们发现有个共性:都是线程模型改变惹的祸!下面小节我们就详细得对Netty3和Netty4版本的I/O线程模型进行对比,以方便大家掌握两者的差异,在升级和使用中尽量少踩雷。

Netty 3.x 线程模型


Netty 3.X的I/O操作线程模型比较复杂,它的处理模型包括两部分:

  • Inbound:主要包括链路建立事件、链路激活事件、读事件、I/O异常事件、链路关闭事件等;
  • Outbound:主要包括写事件、连接事件、监听绑定事件、刷新事件等。

我们首先分析下Inbound操作的线程模型:

0205010.png

从上图可以看出,Inbound操作的主要处理流程如下:

  • I/O线程(Work线程)将消息从TCP缓冲区读取到SocketChannel的接收缓冲区中;
  • 由I/O线程负责生成相应的事件,触发事件向上执行,调度到ChannelPipeline中;
  • I/O线程调度执行ChannelPipeline中Handler链的对应方法,直到业务实现的Last Handler;
  • Last Handler将消息封装成Runnable,放入到业务线程池中执行,I/O线程返回,继续读/写等I/O操作;
  • 业务线程池从任务队列中弹出消息,并发执行业务逻辑。

通过对Netty 3的Inbound操作进行分析我们可以看出,Inbound的Handler都是由Netty的I/O Work线程负责执行。

下面我们继续分析Outbound操作的线程模型:

0205011.png

从上图可以看出,Outbound操作的主要处理流程如下:

  • 业务线程发起Channel Write操作,发送消息;
  • Netty将写操作封装成写事件,触发事件向下传播;
  • 写事件被调度到ChannelPipeline中,由业务线程按照Handler Chain串行调用支持Downstream事件的Channel Handler;
  • 执行到系统最后一个ChannelHandler,将编码后的消息Push到发送队列中,业务线程返回;
  • Netty的I/O线程从发送消息队列中取出消息,调用SocketChannel的write方法进行消息发送。

Netty 4.x 线程模型


相比于Netty 3.X系列版本,Netty 4.X的I/O操作线程模型比较简答,它的原理图如下所示:

0205012.png

从上图可以看出,Outbound操作的主要处理流程如下:

  • I/O线程NioEventLoop从SocketChannel中读取数据报,将ByteBuf投递到ChannelPipeline,触发ChannelRead事件;
  • I/O线程NioEventLoop调用ChannelHandler链,直到将消息投递到业务线程,然后I/O线程返回,继续后续的读写操作;
  • 业务线程调用ChannelHandlerContext.write(Object msg)方法进行消息发送;
  • 如果是由业务线程发起的写操作,ChannelHandlerInvoker将发送消息封装成Task,放入到I/O线程NioEventLoop的任务队列中,由NioEventLoop在循环中统一调度和执行。放入任务队列之后,业务线程返回;
  • I/O线程NioEventLoop调用ChannelHandler链,进行消息发送,处理Outbound事件,直到将消息放入发送队列,然后唤醒Selector,进而执行写操作。

通过流程分析,我们发现Netty 4修改了线程模型,无论是Inbound还是Outbound操作,统一由I/O线程NioEventLoop调度执行。

线程模型对比


在进行新老版本线程模型PK之前,首先还是要熟悉下串行化设计的理念:

我们知道当系统在运行过程中,如果频繁的进行线程上下文切换,会带来额外的性能损耗。多线程并发执行某个业务流程,业务开发者还需要时刻对线程安全保持警惕,哪些数据可能会被并发修改,如何保护?这不仅降低了开发效率,也会带来额外的性能损耗。

为了解决上述问题,Netty 4采用了串行化设计理念,从消息的读取、编码以及后续Handler的执行,始终都由I/O线程NioEventLoop负责,这就意外着整个流程不会进行线程上下文的切换,数据也不会面临被并发修改的风险,对于用户而言,甚至不需要了解Netty的线程细节,这确实是个非常好的设计理念。

它的工作原理图如下:

0205014.png

一个NioEventLoop聚合了一个多路复用器Selector,因此可以处理成百上千的客户端连接,Netty的处理策略是每当有一个新的客户端接入,则从NioEventLoop线程组中顺序获取一个可用的NioEventLoop,当到达数组上限之后,重新返回到0,通过这种方式,可以基本保证各个NioEventLoop的负载均衡。一个客户端连接只注册到一个NioEventLoop上,这样就避免了多个I/O线程去并发操作它。

Netty通过串行化设计理念降低了用户的开发难度,提升了处理性能。利用线程组实现了多个串行化线程水平并行执行,线程之间并没有交集,这样既可以充分利用多核提升并行处理能力,同时避免了线程上下文的切换和并发保护带来的额外性能损耗。

了解完了Netty 4的串行化设计理念之后,我们继续看Netty 3线程模型存在的问题,总结起来,它的主要问题如下:

  • Inbound和Outbound实质都是I/O相关的操作,它们的线程模型竟然不统一,这给用户带来了更多的学习和使用成本;
  • Outbound操作由业务线程执行,通常业务会使用线程池并行处理业务消息,这就意味着在某一个时刻会有多个业务线程同时操作ChannelHandler,我们需要对ChannelHandler进行并发保护,通常需要加锁。如果同步块的范围不当,可能会导致严重的性能瓶颈,这对开发者的技能要求非常高,降低了开发效率;
  • Outbound操作过程中,例如消息编码异常,会产生Exception,它会被转换成Inbound的Exception并通知到ChannelPipeline,这就意味着业务线程发起了Inbound操作!它打破了Inbound操作由I/O线程操作的模型,如果开发者按照Inbound操作只会由一个I/O线程执行的约束进行设计,则会发生线程并发访问安全问题。由于该场景只在特定异常时发生,因此错误非常隐蔽!一旦在生产环境中发生此类线程并发问题,定位难度和成本都非常大。

讲了这么多,似乎Netty 4 完胜 Netty 3的线程模型,其实并不尽然。在特定的场景下,Netty 3的性能可能更高,就如本文第4章节所讲,如果编码和其它Outbound操作非常耗时,由多个业务线程并发执行,性能肯定高于单个NioEventLoop线程。

但是,这种性能优势不是不可逆转的,如果我们修改业务代码,将耗时的Handler操作前置,Outbound操作不做复杂业务逻辑处理,性能同样不输于Netty 3,但是考虑内存池优化、不会反复创建Event、不需要对Handler加锁等Netty 4的优化,整体性能Netty 4版本肯定会更高。

总而言之,如果用户真正熟悉并掌握了Netty 4的线程模型和功能类库,相信不仅仅开发会更加简单,性能也会更优!

带来的思考


就Netty 而言,掌握线程模型的重要性不亚于熟悉它的API和功能。很多时候我遇到的功能、性能等问题,都是由于缺乏对它线程模型和原理的理解导致的,结果我们就以讹传讹,认为Netty 4版本不如3好用等。不能说所有开源软件的版本升级一定都胜过老版本,就Netty而言,我认为Netty 4版本相比于老的Netty 3,确实是历史的一大进步。

相关资源


1源码在线地址


MINA-2.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/mina2/
MINA-1.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/mina1/
Netty-4.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty4/
Netty-3.x地址是:http://docs.52im.net/extend/docs/src/netty3/

2其它在线资源


MINA-2.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/mina2/
MINA-1.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/mina1/
Netty-4.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/netty4/
Netty-3.x API文档(在线版):http://docs.52im.net/extend/docs/api/netty3/

作者简介


045312ioz3mphxbxn4p584.jpg 李林锋

2007年毕业于东北大学,2008年进入华为公司从事高性能通信软件的设
计和开发工作,有6年NIO设计和开发经验,精通Netty、Mina等NIO框架。
Netty中国社区创始人,《Netty权威指南》作者。
联系方式:新浪微博 Nettying 微信:Nettying。

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(原文链接:http://www.infoq.com/cn/articles/netty-version-upgrade-history-thread-part/

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