使用Netty，我们到底在开发些什么？

你的名字 2022-03-06 04:50 292阅读 0赞

在java界，netty无疑是开发网络应用的拿手菜。你不需要太多关注复杂的nio模型和底层网络的细节，使用其丰富的接口，可以很容易的实现复杂的通讯功能。

和golang的网络模块相比，netty还是太过臃肿。不过java类框架就是这样，属于那种离了IDE就无法存活的编码语言。

最新的netty版本将模块分的非常细，如果不清楚每个模块都有什么内容，直接使用`netty-all`即可。

单纯从使用方面来说，netty是非常简单的，掌握ByteBuf、Channel、Pipeline、Event模型等，就可以进行开发了。你会发现面试netty相关知识，没得聊。但Netty与其他开发模式很大不同，最主要的就是其异步化。异步化造成的后果就是编程模型的不同，同时有调试上的困难，对编码的要求比较高，因为bug的代价与业务代码的bug代价不可同日而语。

但从项目来说，麻雀虽小五脏俱全，从业务层到服务网关，以及各种技术保障，包括监控和配置，都是需要考虑的因素。netty本身占比很小。  
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本文将说明使用netty开发，都关注哪些通用的内容，然后附上单机支持100w连接的linux配置。本文并不关注netty的基础知识。

# 协议开发 #

网络开发中最重要的就是其通讯格式，协议。我们常见的protobuf、json、avro、mqtt等，都属于此列。协议有语法、语义、时序三个要素。  
![383496448-5c75cd5aadeb1_articlex][]

我见过很多中间件应用，采用的是redis协议，而后端落地的却是mysql；也见过更多的采用mysql协议实现的各种自定义存储系统，比如proxy端的分库分表中间件、tidb等。

我们常用的redis，使用的是文本协议；mysql等实现的是二进制协议。放在netty中也是一样，实现一套codec即可(继承Decoder或Encoder系列)。netty默认实现了dns、haproxy、http、http2、memcache、mqtt、redis、smtp、socks、stomp、xml等协议，可以说是很全了，直接拿来用很爽。

一个可能的产品结构会是这样的，对外提供一致的外观，核心存储却不同：  
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文本协议在调试起来是比较直观和容易的，但安全性欠佳；而二进制协议就需要依赖日志、wireshark等其他方式进行分析，增加了开发难度。传说中的粘包拆包，就在这里处理。而造成粘包的原因，主要是由于缓冲区的介入，所以需要约定双方的传输概要等信息，netty在一定程度上解决了这个问题。

每一个想要开发网络应用的同学，心里都埋了一颗重新设计协议的梦想种子。但协议的设计可以说是非常困难了，要深耕相应业务，还要考虑其扩展性。如没有特别的必要，建议使用现有的协议。

# 连接管理功能 #

做Netty开发，连接管理功能是非常重要的。通信质量、系统状态，以及一些黑科技功能，都是依赖连接管理功能。  
![1787068434-5c75cd5a57fe6_articlex][]无论是作为服务端还是客户端，netty在创建连接之后，都会得到一个叫做`Channel`的对象。我们所要做的，就是对它的管理，我习惯给它起名叫做`ConnectionManager`。

管理类会通过缓存一些内存对象，用来统计运行中的数据。比如面向连接的功能：包发送、接收数量；包发送、接收速率；错误计数；连接重连次数；调用延迟；连接状态等。这会频繁用到java中`concurrent包`的相关类，往往也是bug集中地。

但我们还需要更多，管理类会给予每个连接更多的功能。比如，连接创建后，想要预热一些功能，那这些状态就可以参与路由的决策。通常情况下，将用户或其他元信息也attach到连接上，能够多维度的根据条件筛选一些连接，进行批量操作，比如灰度、过载保护等，是一个非常重要的功能。

管理后台可以看到每个连接的信息，筛选到一个或多个连接后，能够开启对这些连接的流量录制、信息监控、断点调试，你能体验到掌控一切的感觉。

管理功能还能够看到系统的整个运行状态，及时调整负载均衡策略；同时对扩容、缩容提供数据依据。

# 心跳检测 #

应用协议层的心跳是必须的，它和tcp keepalive是完全不同的概念。

应用层协议层的心跳检测的是连接双方的存活性，兼而连接质量，而`keepalive`检测的是连接本身的存活性。而且后者的超时时间默认过长，完全不能适应现代的网络环境。  
![19316478-5c75cd5a7e839_articlex][]  
心跳就是靠轮训，无论是服务端，还是客户端比如`GCM`等。保活机制会在不同的应用场景进行动态的切换，比如程序唤起和在后台，轮训的策略是不一样的。

Netty内置通过增加`IdleStateHandler`产生`IDLE`事件进行便捷的心跳控制。你要处理的，就是心跳超时的逻辑，比如延迟重连。但它的轮训时间是固定的，无法动态修改，高级功能需要自己定制。

在一些客户端比如Android，频繁心跳的唤起会浪费大量的网络和电量，它的心跳策略会更加复杂一些。

# 边界 #

## 优雅退出机制 ##

Java的优雅停机通常通过注册JDK ShutdownHook来实现。

Runtime.getRuntime().addShutdownHook();

一般通过`kill -15`进行java进程的关闭，以便在进程死亡之前进行一些清理工作。

> 注意：kill -9 会立马杀死进程，不给遗言的机会，比较危险。

虽然netty做了很多优雅退出的工作，通过`EventLoopGroup`的`shutdownGracefully`方法对nio进行了一些状态设置，但在很多情况下，这还不够多。它只负责单机环境的优雅关闭。

流量可能还会通过外层的路由持续进入，造成无效请求。我的通常做法是首先在外层路由进行一次本地实例的摘除，把流量截断，然后再进行netty本身的优雅关闭。这种设计非常简单，即使没有重试机制也会运行的很好，前提是在路由层需要提前暴露相关接口。  
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## 异常处理功能 ##

netty由于其异步化的开发方式，以及其事件机制，在异常处理方面就显得异常重要。为了保证连接的高可靠性，许多异常需要静悄悄的忽略，或者在用户态没有感知。

netty的异常会通过pipeline进行传播，所以在任何一层进行处理都是可行的，但编程习惯上，习惯性抛到最外层集中处理。

为了最大限度的区别异常信息，通常会定义大量的异常类，不同的错误会抛出不同的异常。发生异常后，可以根据不同的类型选择断线重连（比如一些二进制协议的编解码紊乱问题)，或者调度到其他节点。

# 功能限制 #

## 指令模式 ##

网络应用就该干网络应用的事，任何通讯都是昂贵的。在[《Linux之《荒岛余生》（五）网络篇》][Linux]中，我们谈到百万连接的服务器，广播一个1kb消息，就需要1000M的带宽，所以并不是什么都可以放在网络应用里的。

一个大型网络应用的合理的思路就是值发送相关`指令`。客户端在收到指令以后，通过其他方式，比如http，进行大型文件到获取。很多IM的设计思路就是如此。

指令模式还会让通讯系统的扩展性和稳定性得到保证。增加指令可以是配置式的，立即生效，服务端不需要编码重启。

## 稳定性保证 ##

网络应用的流量一般都是非常大的，并不适合全量日志的开启。应用应该只关注主要事件的日志，关注异常情况下的处理流程，日志要打印有度。

网络应用也不适合调用其他缓慢的api，或者任何阻塞I/O的接口。一些实时的事件，也不应该通过调用接口吐出数据，可以走高速mq等其他异步通道。

缓存可能是网络应用里用的最多的组件。jvm内缓存可以存储一些单机的统计数据，redis等存储一些全局性的统计和中间态数据。  
![4261793097-5c75cd5a56183_articlex][]  
网络应用中会大量使用redis、kv、高吞吐的mq，用来快速响应用户请求。总之，尽量保持通讯层的清爽，你会省去很多忧虑。

# 单机支持100万连接的Linux配置 #

单机支持100万连接是可行的，但带宽问题会成为显著的瓶颈。启用压缩的二进制协议会节省部分带宽，但开发难度增加。

和[《LWP进程资源耗尽，Resource temporarily unavailable》][LWP_Resource temporarily unavailable]中提到的ES配置一样，优化都有类似的思路。这份配置，可以节省你几天的时间，请收下！

## 操作系统优化 ##

更改进程最大文件句柄数

ulimit -n 1048576

修改单个进程可分配的最大文件数

echo 2097152 > /proc/sys/fs/nr_open

修改/etc/security/limits.conf文件

*   soft nofile  1048576
    *   hard nofile 1048576
    *   soft nproc unlimited
    root soft nproc unlimited

记得清理掉/etc/security/limits.d/\*下的配置

## 网络优化 ##

打开`/etc/sysctl.conf`，添加配置  
然后执行，使用`sysctl`生效

#单个进程可分配的最大文件数
    fs.nr_open=2097152
    
    #系统最大文件句柄数
    fs.file-max = 1048576
    
    #backlog 设置
    net.core.somaxconn=32768
    net.ipv4.tcp_max_syn_backlog=16384
    net.core.netdev_max_backlog=16384
    
    #可用知名端口范围配置
    net.ipv4.ip_local_port_range='1000 65535'
    
    #TCP Socket 读写 Buffer 设置
    net.core.rmem_default=262144
    net.core.wmem_default=262144
    net.core.rmem_max=16777216
    net.core.wmem_max=16777216
    net.core.optmem_max=16777216
    net.ipv4.tcp_rmem='1024 4096 16777216'
    net.ipv4.tcp_wmem='1024 4096 16777216'
    
    #TCP 连接追踪设置
    net.nf_conntrack_max=1000000
    net.netfilter.nf_conntrack_max=1000000
    net.netfilter.nf_conntrack_tcp_timeout_time_wait=30
    
    #TIME-WAIT Socket 最大数量、回收与重用设置
    net.ipv4.tcp_max_tw_buckets=1048576
    
    # FIN-WAIT-2 Socket 超时设置
    net.ipv4.tcp_fin_timeout = 15

# 总结 #

netty的开发工作并不集中在netty本身，更多体现在保证服务的高可靠性和稳定性上。同时有大量的工作集中在监控和调试，减少bug修复的成本。

深入了解netty是在系统遇到疑难问题时能够深入挖掘进行排查，或者对苛刻的性能进行提升。但对于广大应用开发者来说，netty的上手成本小，死挖底层并不会产生太多收益。

它只是个工具，你还能让它怎样啊。  
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[Linux]: https://mp.weixin.qq.com/s/h8t4zUUNTAK4wxF_YMvkMQ
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[LWP_Resource temporarily unavailable]: https://mp.weixin.qq.com/s/U0kBZhQ0Co7GzIbIR841Wg
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