背景
Netty 框架的特點
Netty 的一個特點就是入門相對比較容易，但是真正掌握並精通是非常困難的，原因有如下幾個：
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涉及的知識面比較廣：Netty 作爲一個高性能的 NIO 通信框架，涉及到的知識點包括網絡通信、多線程編程、序列化和反序列化、異步和同步編程模型、SSL/TLS 安全、內存池、HTTP、MQTT 等各種協議棧，這些知識點在 Java 語言中本身就是難點和重點，如果對這些基礎知識掌握不紮實，是很難真正掌握好 Netty 的。
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調試比較困難：因爲大量使用異步編程接口，以及消息處理過程中的各種線程切換，相比於傳統同步代碼，調試難度比較大。
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類繼承層次比較深，有些代碼很晦澀（例如內存池、Reactor 線程模型等），對於初學者而言，通過閱讀代碼來掌握 Netty 難度還是比較大的。
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代碼規模龐大：目前，Netty 的代碼規模已經非常龐大，特別是協議棧部分，提供了對 HTTP/2、MQTT、WebSocket、SMTP 等多種協議的支持，相關代碼非常多。如果學習方式不當，抓不住重點，全量閱讀 Netty 源碼，既耗時又很難吃透，很容易半途而廢。
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資料比較零散，缺乏實踐相關的案例：網上各種 Netty 的資料非常多，但是以理論講解爲主，Netty 在各行業中的應用、問題定位技巧以及案例實踐方面的資料很少，缺乏系統性的實踐總結，也是 Netty 學習的一大痛點。
初學者常見問題
對於很多初學者，在學習過程中經常會遇到如下幾個問題：
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相關領域知識的儲備不足：想了解學習 Netty 需要儲備哪些技能，掌握哪些知識點，有什麼學習技巧可以更快的掌握 Netty。由於對 Java 多線程編程、Socket 通信、TCP/IP 協議棧等知識掌握不紮實，後續在學習 Netty 的過程中會遇到很多困難。
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理論學習完，實踐遇到難題：學習完理論知識之後，想在實際項目中使用，但是真正跟具體項目結合在一起解決實際問題時，又感覺比較棘手，不知道自己使用的方式是否最優，希望能夠多學一些案例實踐方面的知識，以便更好的在業務中使用 Netty。
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出了問題不會定位：在項目中遇到了問題，但是由於對 Netty 底層細節掌握不紮實，無法有效的定位並解決問題，只能靠網上搜索相關案例來參考，問題解決效率比較低，甚至束手無策。
Netty 學習策略
Netty 入門相對簡單，但是要在實際項目中用好它，出了問題能夠快速定位和解決，卻並非易事。只有在入門階段紮實的學好 Netty，後面使用才能夠得心應手。
入門知識準備
Java NIO 類庫
需要熟悉和掌握的類庫主要包括：
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緩衝區 Buffer。
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通道 Channel。
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多路複用器 Selector。
首先介紹緩衝區（Buffer）的概念，Buffer 是一個對象，它包含一些要寫入或者要讀出的數據。在 NIO 類庫中加入 Buffer 對象，體現了新庫與原 I/O 的一個重要區別。在面向流的 I/O 中，可以將數據直接寫入或者將數據直接讀到 Stream 對象中。在 NIO 庫中，所有數據都是用緩衝區處理的。在讀取數據時，它是直接讀到緩衝區中的；在寫入數據時，寫入到緩衝區中。任何時候訪問 NIO 中的數據，都是通過緩衝區進行操作。
緩衝區實質上是一個數組。通常它是一個字節數組（ByteBuffer），也可以使用其他種類的數組。但是一個緩衝區不僅僅是一個數組，緩衝區提供了對數據的結構化訪問以及維護讀寫位置（limit）等信息。
最常用的緩衝區是 ByteBuffer，一個 ByteBuffer 提供了一組功能用於操作 byte 數組。比較常用的就是 get 和 put 系列方法，如下所示：
Channel 是一個通道，可以通過它讀取和寫入數據，它就像自來水管一樣，網絡數據通過 Channel 讀取和寫入。通道與流的不同之處在於通道是雙向的，流只是在一個方向上移動（一個流必須是 InputStream 或者 OutputStream 的子類），而且通道可以用於讀、寫或者同時用於讀寫。因爲 Channel 是全雙工的，所以它可以比流更好地映射底層操作系統的 API。特別是在 UNIX 網絡編程模型中，底層操作系統的通道都是全雙工的，同時支持讀寫操作。
比較常用的 Channel 是 SocketChannel 和 ServerSocketChannel，其中 SocketChannel 的繼承關係如下圖所示：
Selector 是 Java NIO 編程的基礎，熟練地掌握 Selector 對於掌握 NIO 編程至關重要。多路複用器提供選擇已經就緒的任務的能力。簡單來講，Selector 會不斷地輪詢註冊在其上的 Channel，如果某個 Channel 上面有新的 TCP 連接接入、讀和寫事件，這個 Channel 就處於就緒狀態，會被 Selector 輪詢出來，然後通過 SelectionKey 可以獲取就緒 Channel 的集合，進行後續的 I/O 操作。
Java 多線程編程
作爲異步事件驅動、高性能的 NIO 框架，Netty 代碼中大量運用了 Java 多線程編程技巧，熟練掌握多線程編程是掌握 Netty 的必備條件。
需要掌握的多線程編程相關知識包括：
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Java 內存模型。
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關鍵字 synchronized。
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讀寫鎖。
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volatile 的正確使用。
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CAS 指令和原子類。
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JDK 線程池以及各種默認實現。
以關鍵字 synchronized 爲例，它可以保證在同一時刻，只有一個線程可以執行某一個方法或者代碼塊。同步的作用不僅僅是互斥，它的另一個作用就是共享可變性，當某個線程修改了可變數據並釋放鎖後，其它的線程可以獲取被修改變量的最新值。如果沒有正確的同步，這種修改對其它線程是不可見的。
下面我們就通過對 Netty 的源碼進行分析，看看 Netty 是如何對併發可變數據進行正確同步的。以 AbstractBootstrap 爲例進行分析，首先看它的 option 方法：
這個方法的作用是設置 ServerBootstrap 或 Bootstrap 的 Socket 屬性，它的屬性集定義如下：
private final Map<ChannelOption<?>, Object> options = new LinkedHashMap<ChannelOption<?>, Object>();
由於是非線程安全的 LinkedHashMap, 所以如果多線程創建、訪問和修改 LinkedHashMap 時，必須在外部進行必要的同步。由於 ServerBootstrap 和 Bootstrap 被調用方線程創建和使用，無法保證它的方法和成員變量不被併發訪問。因此，作爲成員變量的 options 必須進行正確的同步。由於考慮到鎖的範圍需要儘可能的小，所以對傳參的 option 和 value 的合法性判斷不需要加鎖，保證鎖的範圍儘可能的細粒度。
Netty 加鎖的地方非常多，大家在閱讀代碼的時候可以仔細體會下，爲什麼有的地方要加鎖，有的地方有不需要？如果不需要，爲什麼？當你對鎖的原理理解以後，對於這些鎖的使用時機和技巧理解起來就相對容易了。
Netty 源碼學習
關鍵類庫學習
Netty 的核心類庫可以分爲 5 大類，需要熟練掌握：
1、ByteBuf 和相關輔助類：ByteBuf 是個 Byte 數組的緩衝區，它的基本功能應該與 JDK 的 ByteBuffer 一致，提供以下幾類基本功能：
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7 種 Java 基礎類型、byte 數組、ByteBuffer（ByteBuf）等的讀寫。
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緩衝區自身的 copy 和 slice 等。
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設置網絡字節序。
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構造緩衝區實例。
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操作位置指針等方法。
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動態的擴展和收縮。
從內存分配的角度看，ByteBuf 可以分爲兩類：堆內存（HeapByteBuf）字節緩衝區：特點是內存的分配和回收速度快，可以被 JVM 自動回收；缺點就是如果進行 Socket 的 I/O 讀寫，需要額外做一次內存複製，將堆內存對應的緩衝區複製到內核 Channel 中，性能會有一定程度的下降。直接內存（DirectByteBuf）字節緩衝區：非堆內存，它在堆外進行內存分配，相比於堆內存，它的分配和回收速度會慢一些，但是將它寫入或者從 Socket Channel 中讀取時，由於少了一次內存複製，速度比堆內存快。
2、Channel 和 Unsafe：io.netty.channel.Channel 是 Netty 網絡操作抽象類，它聚合了一組功能，包括但不限於網路的讀、寫，客戶端發起連接、主動關閉連接，鏈路關閉，獲取通信雙方的網絡地址等。它也包含了 Netty 框架相關的一些功能，包括獲取該 Chanel 的 EventLoop，獲取緩衝分配器 ByteBufAllocator 和 pipeline 等。Unsafe 是個內部接口，聚合在 Channel 中協助進行網絡讀寫相關的操作，它提供的主要功能如下表所示：
3、ChannelPipeline 和 ChannelHandler: Netty 的 ChannelPipeline 和 ChannelHandler 機制類似於 Servlet 和 Filter 過濾器，這類攔截器實際上是職責鏈模式的一種變形，主要是爲了方便事件的攔截和用戶業務邏輯的定製。Servlet Filter 是 JEE Web 應用程序級的 Java 代碼組件，它能夠以聲明的方式插入到 HTTP 請求響應的處理過程中，用於攔截請求和響應，以便能夠查看、提取或以某種方式操作正在客戶端和服務器之間交換的數據。
攔截器封裝了業務定製邏輯，能夠實現對 Web 應用程序的預處理和事後處理。過濾器提供了一種面向對象的模塊化機制，用來將公共任務封裝到可插入的組件中。
這些組件通過 Web 部署配置文件（web.xml）進行聲明，可以方便地添加和刪除過濾器，無須改動任何應用程序代碼或 JSP 頁面，由 Servlet 進行動態調用。通過在請求 / 響應鏈中使用過濾器，可以對應用程序（而不是以任何方式替代）的 Servlet 或 JSP 頁面提供的核心處理進行補充，而不破壞 Servlet 或 JSP 頁面的功能。由於是純 Java 實現，所以 Servlet 過濾器具有跨平臺的可重用性，使得它們很容易地被部署到任何符合 Servlet 規範的 JEE 環境中。
Netty 的 Channel 過濾器實現原理與 Servlet Filter 機制一致，它將 Channel 的數據管道抽象爲 ChannelPipeline，消息在 ChannelPipeline 中流動和傳遞。ChannelPipeline 持有 I/O 事件攔截器 ChannelHandler 的鏈表，由 ChannelHandler 對 I/O 事件進行攔截和處理，可以方便地通過新增和刪除 ChannelHandler 來實現不同的業務邏輯定製，不需要對已有的 ChannelHandler 進行修改，能夠實現對修改封閉和對擴展的支持。ChannelPipeline 是 ChannelHandler 的容器，它負責 ChannelHandler 的管理和事件攔截與調度：
Netty 中的事件分爲 inbound 事件和 outbound 事件。inbound 事件通常由 I/O 線程觸發，例如 TCP 鏈路建立事件、鏈路關閉事件、讀事件、異常通知事件等。
Outbound 事件通常是由用戶主動發起的網絡 I/O 操作，例如用戶發起的連接操作、綁定操作、消息發送等操作。ChannelHandler 類似於 Servlet 的 Filter 過濾器，負責對 I/O 事件或者 I/O 操作進行攔截和處理，它可以選擇性地攔截和處理自己感興趣的事件，也可以透傳和終止事件的傳遞。基於 ChannelHandler 接口，用戶可以方便地進行業務邏輯定製，例如打印日誌、統一封裝異常信息、性能統計和消息編解碼等。
4、EventLoop：Netty 的 NioEventLoop 並不是一個純粹的 I/O 線程，它除了負責 I/O 的讀寫之外，還兼顧處理以下兩類任務：
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普通 Task：通過調用 NioEventLoop 的 execute(Runnable task) 方法實現，Netty 有很多系統 Task，創建它們的主要原因是：當 I/O 線程和用戶線程同時操作網絡資源時，爲了防止併發操作導致的鎖競爭，將用戶線程的操作封裝成 Task 放入消息隊列中，由 I/O 線程負責執行，這樣就實現了局部無鎖化。
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定時任務：通過調用 NioEventLoop 的 schedule(Runnable command, long delay, TimeUnit unit) 方法實現。
Netty 的線程模型並不是一成不變的，它實際取決於用戶的啓動參數配置。通過設置不同的啓動參數，Netty 可以同時支持 Reactor 單線程模型、多線程模型和主從 Reactor 多線層模型。它的工作原理如下所示：
通過調整線程池的線程個數、是否共享線程池等方式，Netty 的 Reactor 線程模型可以在單線程、多線程和主從多線程間切換，這種靈活的配置方式可以最大程度地滿足不同用戶的個性化定製。
爲了儘可能地提升性能，Netty 在很多地方進行了無鎖化的設計，例如在 I/O 線程內部進行串行操作，避免多線程競爭導致的性能下降問題。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—多個工作線程的模型性能更優。它的設計原理如下圖所示：
5、Future 和 Promise：在 Netty 中，所有的 I/O 操作都是異步的，這意味着任何 I/O 調用都會立即返回，而不是像傳統 BIO 那樣同步等待操作完成。異步操作會帶來一個問題：調用者如何獲取異步操作的結果？ChannelFuture 就是爲了解決這個問題而專門設計的。下面我們一起看它的原理。ChannelFuture 有兩種狀態：uncompleted 和 completed。當開始一個 I/O 操作時，一個新的 ChannelFuture 被創建，此時它處於 uncompleted 狀態——非失敗、非成功、非取消，因爲 I/O 操作此時還沒有完成。一旦 I/O 操作完成，ChannelFuture 將會被設置成 completed，它的結果有如下三種可能：
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操作成功。
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操作失敗。
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操作被取消。
ChannelFuture 的狀態遷移圖如下所示：
Promise 是可寫的 Future，Future 自身並沒有寫操作相關的接口，Netty 通過 Promise 對 Future 進行擴展，用於設置 I/O 操作的結果，它的接口定義如下：
關鍵流程學習
需要重點掌握 Netty 服務端和客戶端的創建，以及創建過程中使用到的核心類庫和 API、以及消息的發送和接收、消息的編解碼。
Netty 服務端創建流程如下：
Netty 客戶端創建流程如下：
Netty 項目實踐
實踐主要分爲兩類，如果項目中需要用到 Netty，則直接在項目中應用，通過實踐來不斷提升對 Netty 的理解和掌握。如果暫時使用不到，則可以通過學習一些開源的 RPC 或者服務框架，看這些框架是怎麼集成並使用 Netty 的。以 gRPC Java 版爲例，我們一起看下 gRPC 是如何使用 Netty 的。
gRPC 服務端
gRPC 通過對 Netty HTTP/2 的封裝，向用戶屏蔽底層 RPC 通信的協議細節，Netty HTTP/2 服務端的創建流程如下：
服務端 HTTP/2 消息的讀寫主要通過 gRPC 的 NettyServerHandler 實現，它的類繼承關係如下所示：
從類繼承關係可以看出，NettyServerHandler 主要負責 HTTP/2 協議消息相關的處理，例如 HTTP/2 請求消息體和消息頭的讀取、Frame 消息的發送、Stream 狀態消息的處理等，相關接口定義如下：
gRPC 客戶端
gRPC 的客戶端調用主要包括基於 Netty 的 HTTP/2 客戶端創建、客戶端負載均衡、請求消息的發送和響應接收處理四個流程,gRPC 的客戶端調用總體流程如下圖所示:
gRPC 的客戶端調用總體流程如下圖所示：
gRPC 的客戶端調用流程如下：
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客戶端 Stub(GreeterBlockingStub) 調用 sayHello(request)，發起 RPC 調用。
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通過 DnsNameResolver 進行域名解析，獲取服務端的地址信息（列表），隨後使用默認的 LoadBalancer 策略，選擇一個具體的 gRPC 服務端實例。
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如果與路由選中的服務端之間沒有可用的連接，則創建 NettyClientTransport 和 NettyClientHandler，發起 HTTP/2 連接。
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對請求消息使用 PB（Protobuf）做序列化，通過 HTTP/2 Stream 發送給 gRPC 服務端。
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接收到服務端響應之後，使用 PB（Protobuf）做反序列化。
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回調 GrpcFuture 的 set(Response) 方法，喚醒阻塞的客戶端調用線程，獲取 RPC 響應。
需要指出的是，客戶端同步阻塞 RPC 調用阻塞的是調用方線程（通常是業務線程），底層 Transport 的 I/O 線程（Netty 的 NioEventLoop）仍然是非阻塞的。
線程模型
gRPC 服務端線程模型整體上可以分爲兩大類：
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網絡通信相關的線程模型，基於 Netty4.1 的線程模型實現。
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服務接口調用線程模型，基於 JDK 線程池實現。
gRPC 服務端線程模型和交互圖如下所示：
其中，HTTP/2 服務端創建、HTTP/2 請求消息的接入和響應發送都由 Netty 負責，gRPC 消息的序列化和反序列化、以及應用服務接口的調用由 gRPC 的 SerializingExecutor 線程池負責。
gRPC 客戶端的線程主要分爲三類：
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業務調用線程
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客戶端連接和 I/O 讀寫線程
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請求消息業務處理和響應回調線程
gRPC 客戶端線程模型工作原理如下圖所示（同步阻塞調用爲例）：
客戶端調用主要涉及的線程包括：
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應用線程，負責調用 gRPC 服務端並獲取響應，其中請求消息的序列化由該線程負責。
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客戶端負載均衡以及 Netty Client 創建，由 grpc-default-executor 線程池負責。
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HTTP/2 客戶端鏈路創建、網絡 I/O 數據的讀寫，由 Netty NioEventLoop 線程負責。
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響應消息的反序列化由 SerializingExecutor 負責，與服務端不同的是，客戶端使用的是 ThreadlessExecutor，並非 JDK 線程池。
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SerializingExecutor 通過調用 responseFuture 的 set(value)，喚醒阻塞的應用線程，完成一次 RPC 調用。
gRPC 採用的是網絡 I/O 線程和業務調用線程分離的策略，大部分場景下該策略是最優的。但是，對於那些接口邏輯非常簡單，執行時間很短，不需要與外部網元交互、訪問數據庫和磁盤，也不需要等待其它資源的，則建議接口調用直接在 Netty /O 線程中執行，不需要再投遞到後端的服務線程池。避免線程上下文切換，同時也消除了線程併發問題。
例如提供配置項或者接口，系統默認將消息投遞到後端服務調度線程，但是也支持短路策略，直接在 Netty 的 NioEventLoop 中執行消息的序列化和反序列化、以及服務接口調用。
減少鎖競爭優化：當前 gRPC 的線程切換策略如下：
優化之後的 gRPC 線程切換策略：
通過線程綁定技術（例如採用一致性 hash 做映射）, 將 Netty 的 I/O 線程與後端的服務調度線程做綁定，1 個 I/O 線程綁定一個或者多個服務調用線程，降低鎖競爭，提升性能。
Netty 故障定位技巧
儘管 Netty 應用廣泛，非常成熟，但是由於對 Netty 底層機制不太瞭解，用戶在實際使用中還是會經常遇到各種問題，大部分問題都是業務使用不當導致的。Netty 使用者需要學習 Netty 的故障定位技巧，以便出了問題能夠獨立、快速的解決。‘’
接收不到消息
如果業務的 ChannelHandler 接收不到消息，可能的原因如下：
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業務的解碼 ChannelHandler 存在 BUG，導致消息解碼失敗，沒有投遞到後端。
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業務發送的是畸形或者錯誤碼流（例如長度錯誤），導致業務解碼 ChannelHandler 無法正確解碼出業務消息。
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業務 ChannelHandler 執行了一些耗時或者阻塞操作，導致 Netty 的 NioEventLoop 被掛住，無法讀取消息。
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執行業務 ChannelHandler 的線程池隊列積壓，導致新接收的消息在排隊，沒有得到及時處理。
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對方確實沒有發送消息。
定位策略如下：
- 在業務的首個 ChannelHandler 的 channelRead 方法中打斷點調試，看是否讀取到消息。
- 在 ChannelHandler 中添加 LoggingHandler，打印接口日誌。
- 查看 NioEventLoop 線程狀態，看是否發生了阻塞。
- 通過 tcpdump 抓包看消息是否發送成功。
內存泄漏
通過 jmap -dump:format=b,file=xx pid 命令 Dump 內存堆棧，然後使用 MemoryAnalyzer 工具對內存佔用進行分析，查找內存泄漏點，然後結合代碼進行分析，定位內存泄漏的具體原因，示例如下所示：
性能問題如果出現性能問題，首先需要確認是 Netty 問題還是業務問題，通過 jstack 命令或者 jvisualvm 工具打印線程堆棧，按照線程 CPU 使用率進行排序（top -Hp 命令採集），看線程在忙什麼。通常如果採集幾次都發現 Netty 的 NIO 線程堆棧停留在 select 操作上，說明 I/O 比較空閒，性能瓶頸不在 Netty，需要繼續分析看是否是後端的業務處理線程存在性能瓶頸:
如果發現性能瓶頸在網絡 I/O 讀寫上，可以適當調大 NioEventLoopGroup 中的 work I/O 線程數，直到 I/O 處理性能能夠滿足業務需求。
作者介紹
李林鋒，10 年 Java NIO、平臺中間件設計和開發經驗，精通 Netty、Mina、分佈式服務框架、API Gateway、PaaS 等,《Netty 進階之路》、《分佈式服務框架原理與實踐》作者。目前在華爲終端應用市場負責業務微服務化、雲化、全球化等相關設計和開發工作。