【Netty】高性能原因：补充及总结

本是古典何须时尚 2023-01-01 11:57 168阅读 0赞

### 1.无锁化的串行设计理念 ###

在大多数场景下，并行多线程处理可以提升系统的并发性能。但是，如果对于共享资源的并发访问处理不当，会带来严重的锁竞争，这最终会导致性能的下降。为了尽可能的避免锁竞争带来的性能损耗，可以通过串行化设计，即消息的处理尽可能在同一个线程内完成，期间不进行线程切换，这样就避免了多线程竞争和同步锁。

为了尽可能提升性能，Netty 采用了串行无锁化设计，在IO 线程内部进行串行操作，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，并发程度不够。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 的串行化设计工作原理图如下：

![在这里插入图片描述][20210102183040809.png_pic_center]

Netty 的 NioEventLoop 读取到消息之后，直接调用 ChannelPipeline 的 fireChannelRead(Objectmsg)，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，从性能角度看是最优的。

### 2.高效的并发编程 ###

Netty 的高效并发编程主要体现在如下几点：

*  volatile 的大量、正确使用;
 *  CAS和原子类的广泛使用；
 *  线程安全容器的使用；
 *  通过读写锁提升并发性能。

### 3.高性能的序列化框架 ###

影响序列化性能的关键因素如下：

*  序列化后的码流大小（网络带宽的占用）
 *  序列化&反序列化的性能（CPU 资源占用）
 *  是否支持跨语言（异构系统的对接和开发语言切换）

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

不同序列化&反序列化框架序列化后的字节数组对比：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

从上图可以看出，Protobuf序列化后的码流只有 Java序列化的 1/4 左右。正是由于Java原生序列化性能表现太差，才催生出了各种高性能的开源序列化技术和框架（性能差只是其中的一个原因，还有跨语言、IDL 定义等其它因素）。

### 4.灵活的TCP参数配置能力 ###

合理设置 TCP 参数在某些场景下对于性能的提升可以起到显著的效果，例如 SO\_RCVBUF 和 SO\_SNDBUF。如果设置不当，对性能的影响是非常大的。下面列出对性能影响比较大的几个配置项：

.option(ChannelOption.SO_RCVBUF, 128)

*  SO\_RCVBUF 和 SO\_SNDBUF：通常建议值为128K 或者256K；
 *  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：如果 Linux 内核版本支持 RPS（2.6.35 以上版本），开启 RPS 后可以实现软中断，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 值来选择软中断运行的  
    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。

Netty 在启动辅助类中可以灵活的配置TCP 参数，满足不同的用户场景。相关配置接口定义如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1][]

### 总结 --高性能的原因 ###

1.  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。
2.  采用异步非阻塞的I/O类库，基于 Reactor 模式实现，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，这就可以充分提升IO线程的运行效率，避免由于频繁IO阻塞导致的线程挂起。
3.  Netty 的接收和发送 ByteBuffer 采用 DIRECT 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。
4.  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。
5.  Netty 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。
6.  支持通过内存池的方式循环利用 ByteBuf，避免了频繁创建和销毁ByteBuf带来的性能损耗。
7.  关键资源的处理使用单线程串行化的方式，避免多线程并发访问带来的锁竞争和额外的CPU资源消耗问题。 采用环形数组缓冲区实现无锁化并发编程，代替传统的线程安全容器或者锁。
8.  合理地使用线程安全容器、原子类等，提升系统的并发处理能力。
9.  可配置的I/O线程数、TCP参数等，为不同的用户场景提供定制化的调优参数，满足不同的性能场景。

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