- 異步非阻塞通信
在IO編程過程中，當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多路複用技術進行處理。IO多路複用技術通過把多個IO的阻塞複用 到同一個select的阻塞上，從而使得系統在單線程的情況下可以同時處理多個客戶端請求。與傳統的多線程/多進程模型比，I/O多路複用的最大優勢是系 統開銷小，系統不需要創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，降低了系統的維護工作量，節省了系統資源。
JDK1.4提供了對非阻塞IO（NIO）的支持，JDK1.5_update10版本使用epoll替代了傳統的select/poll，極大的提升了NIO通信的性能。
Netty的IO線程NioEventLoop由於聚合了多路複用器Selector，可以同時併發處理成百上千個客戶端Channel，由於讀寫操作都 是非阻塞的，這就可以充分提升IO線程的運行效率，避免由於頻繁IO阻塞導致的線程掛起。另外，由於Netty採用了異步通信模式，一個IO線程可以併發 處理N個客戶端連接和讀寫操作，這從根本上解決了傳統同步阻塞IO一連接一線程模型，架構的性能、彈性伸縮能力和可靠性都得到了極大的提升。
- 零拷貝
Netty的“零拷貝”主要體現在如下三個方面：
1) Netty的接收和發送ByteBuffer採用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接內存進行Socket讀寫，不需要進行字節緩衝區的二次拷貝。如果使用傳統的堆內存（HEAP BUFFERS）進行Socket讀寫，JVM會將堆內存Buffer拷貝一份到直接內存中，然後才寫入Socket中。相比於堆外直接內存，消息在發送過程中多了一次緩衝區的內存拷貝。
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，避免了傳統通過內存拷貝的方式將幾個小Buffer合併成一個大的Buffer。
3) Netty的文件傳輸採用了transferTo方法，它可以直接將文件緩衝區的數據發送到目標Channel，避免了傳統通過循環write方式導致的內存拷貝問題。
- 內存池
隨着JVM虛擬機和JIT即時編譯技術的發展，對象的分配和回收是個非常輕量級的工作。但是對於緩衝區Buffer，情況卻稍有不同，特別是對於堆外直接內存的分配和回收，是一件耗時的操作。爲了儘量重用緩衝區，Netty提供了基於內存池的緩衝區重用機制（PooledByteBuf）。
- 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：
由於Reactor模式使用的是異步非阻塞IO，所有的IO操作都不會導致阻塞，理論上一個線程可以獨立處理所有IO相關的操作。從架構層面看，一個NIO線程確實可以完成其承擔的職責。例如，通過Acceptor接收客戶端的TCP連接請求消息，鏈路建立成功之後，通過Dispatch將對應的 ByteBuffer派發到指定的Handler上進行消息解碼。用戶Handler可以通過NIO線程將消息發送給客戶端。
對於一些小容量應用場景，可以使用單線程模型。但是對於高負載、大併發的應用卻不合適，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負荷達到100%，也無法滿足海量消息的編碼、解碼、讀取和發送；
2) 當NIO線程負載過重之後，處理速度將變慢，這會導致大量客戶端連接超時，超時之後往往會進行重發，這更加重了NIO線程的負載，最終會導致大量消息積壓和處理超時，NIO線程會成爲系統的性能瓶頸；
3) 可靠性問題：一旦NIO線程意外跑飛，或者進入死循環，會導致整個系統通信模塊不可用，不能接收和處理外部消息，造成節點故障。
Rector多線程模型：
Rector多線程模型與單線程模型最大的區別就是有一組NIO線程處理IO操作，Reactor多線程模型的特點：
1) 有專門一個NIO線程-Acceptor線程用於監聽服務端，接收客戶端的TCP連接請求；
2) 網絡IO操作-讀、寫等由一個NIO線程池負責，線程池可以採用標準的JDK線程池實現，它包含一個任務隊列和N個可用的線程，由這些NIO線程負責消息的讀取、解碼、編碼和發送；
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1個NIO線程，防止發生併發操作問題。
在絕大多數場景下，Reactor多線程模型都可以滿足性能需求；但是，在極特殊應用場景中，一個NIO線程負責監聽和處理所有的客戶端連接可能會存在性能問題。例如百萬客戶端併發連接，或者服務端需要對客戶端的握手消息進行安全認證，認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，爲了解決性能問題，產生了第三種Reactor線程模型-主從Reactor多線程模型。
主從Reactor線程模型:
服務端用於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連接請求處理完成後（可能包含接入認證等），將新創建的SocketChannel註冊到IO線程池（sub reactor線程池）的某個IO線程上，由它負責SocketChannel的讀寫和編解碼工作。Acceptor線程池僅僅只用於客戶端的登陸、握手 和安全認證，一旦鏈路建立成功，就將鏈路註冊到後端subReactor線程池的IO線程上，由IO線程負責後續的IO操作。
利用主從NIO線程模型，可以解決1個服務端監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的線程模型並非固定不變，通過在啓動輔助類中創建不同的EventLoopGroup實例並通過適當的參數配置，就可以支持上述 三種Reactor線程模型。正是因爲Netty 對Reactor線程模型的支持提供了靈活的定製能力，所以可以滿足不同業務場景的性能訴求。
- 無鎖化的串行設計理念
在大多數場景下，並行多線程處理可以提升系統的併發性能。但是，如果對於共享資源的併發訪問處理不當，會帶來嚴重的鎖競爭，這最終會導致性能的下降。爲了儘可能的避免鎖競爭帶來的性能損耗，可以通過串行化設計，即消息的處理儘可能在同一個線程內完成，期間不進行線程切換，這樣就避免了多線程競爭和同步鎖。
爲了儘可能提升性能，Netty採用了串行無鎖化設計，在IO線程內部進行串行操作，避免多線程競爭導致的性能下降。表面上看，串行化設計似乎 CPU利用率不高，併發程度不夠。但是，通過調整NIO線程池的線程參數，可以同時啓動多個串行化的線程並行運行，這種局部無鎖化的串行線程設計相比一個 隊列-多個工作線程模型性能更優。
Netty的NioEventLoop讀取到消息之後，直接調用ChannelPipeline的fireChannelRead(Object msg)，只要用戶不主動切換線程，一直會由NioEventLoop調用到用戶的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 操作導致的鎖的競爭，從性能角度看是最優的。
- 高效的併發編程
Netty的高效併發編程主要體現在如下幾點：
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) 通過讀寫鎖提升併發性能。
- 高性能的序列化框架
影響序列化性能的關鍵因素總結如下：
1) 序列化後的碼流大小（網絡帶寬的佔用）；
2) 序列化&反序列化的性能（CPU資源佔用）；
3) 是否支持跨語言（異構系統的對接和開發語言切換）。
Netty默認提供了對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。
- 靈活的TCP參數配置能力
合理設置TCP參數在某些場景下對於性能的提升可以起到顯著的效果，例如SO_RCVBUF和SO_SNDBUF。如果設置不當，對性能的影響是非常大的。下面總結下對性能影響比較大的幾個配置項：
1) SO_RCVBUF和SO_SNDBUF：通常建議值爲128K或者256K；
2) SO_TCPNODELAY：NAGLE算法通過將緩衝區內的小封包自動相連，組成較大的封包，阻止大量小封包的發送阻塞網絡，從而提高網絡應用效率。但是對於時延敏感的應用場景需要關閉該優化算法；
3) 軟中斷：如果Linux內核版本支持RPS（2.6.35以上版本），開啓RPS後可以實現軟中斷，提升網絡吞吐量。RPS根據數據包的源地址，目的地址以及目的和源端口，計算出一個hash值，然後根據這個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，並通過這個 hash值，來均衡軟中斷在多個cpu上，提升網絡並行處理性能。
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