Netty

Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，基于Java NIO提供的API实现。它提供了对TCP、UDP和文件传输的支持，作为一个异步NIO框架，Netty的所有IO操作都是异步非阻塞的，通过Future-Listener机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获取IO操作结果。

Netty高性能

在IO编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者IO多路复用技术进行处理。IO多路复用技术通过把多个IO的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

与Socket类和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel两种不同的套接字通道实现。

多路复用通讯方式

Netty框架按照Reactor模式设计和实现，它的服务器端通信序列图如下：

客户端通信序列图如下：

Netty的IO线程NioEventLoop由于聚合了多路复用器Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端Channel，由于读写操作都是非阻塞的，这就是可以充分提供IO线程的运行效率，避免由于频繁IO阻塞导致的线程挂起。

异步通讯IO

由于Netty采用了异步通信模式，一个IO线程可以并发处理N个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞IO一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

零拷贝技术

1.Netty的接收和发送ByteBuffer采用Direc Buffers，使用堆外直接内存进行Socket读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行socket读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。

2.Netty提供了组合Buffer对象，可以聚合多个ByteBuffer对象，用户可以像操作一个Buffer那样方便的对组合Buffer进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。

3.Nttey的文件传输采用了transferTo方法，它可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标Channel，避免了传统通过循环write方式导致的内存拷贝问题。

内存池（基于内存池的缓冲区重用机制）

随着JVM虚拟机和JIT即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区Buffer，情况稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty提供了基于内存池的缓冲区重用模型。

高效的Reactor线程模型

常用的Reactor线程模型有三种，Reactor单线程模型，Reactor多线程模型，主从Reactro多线程模型

Reactor模型

Reactor单线程模型，指的是所有IO操作都在同一个NIO线程上面完成，NIO线程的职责如下：

a.作为NIO服务端，接收客户端的TCP连接；

b.作为NIO客户端，向服务端发起TCP连接；

c.读取通信对端的请求或者应答消息;

d.向通信对端发送消息请求或应答消息。

由于Reactor模式使用的是异步fiel非阻塞IO，所有的IO操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有IO相关的操作。从架构层面看，一个NIO线程确实可以完成其承担的职责。例如，通过Acceptor接收客户端的TCP连接请求信息，链路建立成功之后，通过Dispatch将对应的ByteBuffer派发到指定的Handler上进行消息解码。用户handler可以通过NIO线程将消息发送给客户端。

Reactor多线程模型

Reactor多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理IO操作。有专门一个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求；网络IO操作-读、写等由一个NIO线程池负责，线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N和可用的线程，由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送。

主从Reactor多线程模型

服务端用于接收客户端连接的不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到IO连接池（Sub reactor线程池）的某个IO线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登录、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上，由IO线程负责后续的IO操作。

无锁设计、线程绑定

Netty采用了串行无锁化设计，在IO线程内部进行串性操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程序不够。但是，通过调整NIO线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。

Netty的NioEventLoop读取到消息之后，直接调用ChannelPipline的fireChannelRead(Object msg)，只要用户不主动切换线程，一直会由NioEventLoop调用到用户的Handler，期间不进行线程切换，这种串行化处理方式避免了多线程操作导致的锁的竞争，从性能角度看那是最优的。

高性能的序列化框架

Netty默认提供了对Google Protobuf的支持，通过扩展Netty的编解码接口，用户可以实现其他的高性能序列化框架，例如，Thrift的压缩二进制编解码框架。

SO_RCVBUF和SO_SNDBUF：通常建议值为128k或256k。

小包封大包，防止网络阻塞

SO_TCPNODELAY:NAGLE算法通过将缓冲区内的小封包自动相连，组成较大的封包，阻止大量小封包的发送阻塞网络，从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法。

软中断Hash值和CPU绑定

软中端：开启RPS后可以实现软中端，提升网络吞吐量。RPS根据数据包的源地址，目的地址以及目的和源端口，计算出一个hash值，然后根据这个hash值来选择软中端运行的cpu，从上层来看，也就是说将每个连接和cpu绑定，并通过这个hash值，来均衡软中断在多个cpu上，提升网络并行处理性能。