Netty实战之性能调优与设计模式详解程序员

设计模式在Netty 中的应用(回顾):

单例模式要点回顾：

一个类在任何情况下只有一个对象，并提供一个全局访问点。
可延迟创建。
避免线程安全问题。

　　在我们利用netty自带的容器来管理客户端链接的NIOSocketChannel的时候我们会利用public static final ChannelGroup group = new DefaultChannelGroup(GlobalEventExecutor.INSTANCE);来管理，这里就有单例的应用，而对于单例的线程安全模式最简单的就是饿汉式。如下，当然在Netty中有很多地方都会应用到单例，这里只是举类说明：

public final class GlobalEventExecutor extends AbstractScheduledEventExecutor { 
    ...... 
    public static final GlobalEventExecutor INSTANCE; 
static { 
        SCHEDULE_QUIET_PERIOD_INTERVAL = TimeUnit.SECONDS.toNanos(1L); 
        INSTANCE = new GlobalEventExecutor(); 
    } 
    ...... 
}

策略模式要点回顾：

封装一系列可相互替换的算法家族。
动态选择某一个策略。

　　在我们的NioEventLoopGroup初始化的时候，在其中创建了一个指定大小的EventExecutor数组，而选择这个执行的过程正式利用了策略模式，而这个策略根据该数组大小是否是二次幂来决定：

public final class DefaultEventExecutorChooserFactory implements EventExecutorChooserFactory { 
    public static final DefaultEventExecutorChooserFactory INSTANCE = new DefaultEventExecutorChooserFactory(); 
 
    private DefaultEventExecutorChooserFactory() { 
    } 
 
    public EventExecutorChooser newChooser(EventExecutor[] executors) { 
        return (EventExecutorChooser)(isPowerOfTwo(executors.length) ? new DefaultEventExecutorChooserFactory.PowerOfTwoEventExecutorChooser(executors) : 
　　　　　　　　　　new DefaultEventExecutorChooserFactory.GenericEventExecutorChooser(executors)); 
    } 
 
    private static boolean isPowerOfTwo(int val) { 
        return (val & -val) == val; 
    } 
 
    private static final class GenericEventExecutorChooser implements EventExecutorChooser { 
        private final AtomicInteger idx = new AtomicInteger(); 
        private final EventExecutor[] executors; 
 
        GenericEventExecutorChooser(EventExecutor[] executors) { 
            this.executors = executors; 
        } 
 
        public EventExecutor next() { 
            return this.executors[Math.abs(this.idx.getAndIncrement() % this.executors.length)]; 
        } 
    } 
 
    private static final class PowerOfTwoEventExecutorChooser implements EventExecutorChooser { 
        private final AtomicInteger idx = new AtomicInteger(); 
        private final EventExecutor[] executors; 
 
        PowerOfTwoEventExecutorChooser(EventExecutor[] executors) { 
            this.executors = executors; 
        } 
 
        public EventExecutor next() { 
            return this.executors[this.idx.getAndIncrement() & this.executors.length - 1]; 
        } 
    } 
}

装饰者模式要点回顾：

装饰者和被装饰者实现同一个接口。
装饰者通常继承被装饰者，同宗同源。
动态修改、重载被装饰者的方法。

　　这是在一个不可释放的Buf中的例子：

class WrappedByteBuf extends ByteBuf { 
    protected final ByteBuf buf; 
 
    protected WrappedByteBuf(ByteBuf buf) { 
        if (buf == null) { 
            throw new NullPointerException("buf"); 
        } else { 
            this.buf = buf; 
        } 
    } 
    ...... 
}

final class UnreleasableByteBuf extends WrappedByteBuf {
    private SwappedByteBuf swappedBuf;

    UnreleasableByteBuf(ByteBuf buf) {
        super(buf);
    }
　　......
　　public boolean release() {
　　　　return false;
　　}
　　public boolean release(int decrement) {
　　　　return false;
　　}
}

观察者模式要点回顾：

两个角色：观察者和被观察者。
观察者订阅消息，被观察者发布消息。
订阅则能收到消息，取消订阅则收不到。

　　这个例子是channel.writeAndFlush()方法：我们可以通过添加观察者来监听消息发送的结果，结果会被保存到ChannelFuture中：

future.channel().writeAndFlush(input).addListener(new ChannelFutureListener() { 
   @Override 
   public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception { 
        System.out.println("消息发送成功"); 
   } 
});

迭代器模式要点回顾：

实现迭代器接口
实现对容器中的各个对象逐个访问的方法。

　　复合ByteBuf：

public class CompositeByteBuf extends AbstractReferenceCountedByteBuf implements Iterable<ByteBuf> { 
　　　public byte getByte(int index) { 
        return this._getByte(index); 
     } 
}

责任链模式(可以说是Netty的大心脏了)：

　　责任链：是指多个对象都有机会处理同一个请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。然后，将这些对象连成一条链，并且沿着这条链往下传递请求，直到有一个对象可以处理它为止。在每个对象处理过程中，每个对象只处理它自己关心的那一部分，不相关的可以继续往下传递，直到链中的某个对象不想处理，可以将请求终止或丢弃。责任链模式要点回顾：

需要有一个顶层责任处理接口（ChannelHandler）。
需要有动态创建链、添加和删除责任处理器的接口（ChannelPipeline）。
需要有上下文机制（ChannelHandlerContext）。
需要有责任终止机制（不调用ctx.fireXXX()方法,则终止传播）。

　　AbstractChannelHandlerContext:

private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound() { 
        AbstractChannelHandlerContext ctx = this; 
 
        do { 
            ctx = ctx.next; 
        } while(!ctx.inbound); 
 
        return ctx; 
    }

工厂模式要点回顾：

将创建对象的逻辑封装起来。

　　ReflectiveChannelFactory：对于SocketChannel的初始化，正是利用了工厂模式进行反射初始化实例：

public class ReflectiveChannelFactory<T extends Channel> implements ChannelFactory<T> { 
    private final Class<? extends T> clazz; 
 
    public ReflectiveChannelFactory(Class<? extends T> clazz) { 
        if (clazz == null) { 
            throw new NullPointerException("clazz"); 
        } else { 
            this.clazz = clazz; 
        } 
    } 
 
    public T newChannel() { 
        try { 
            return (Channel)this.clazz.newInstance(); 
        } catch (Throwable var2) { 
            throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + this.clazz, var2); 
        } 
    } 
 
    public String toString() { 
        return StringUtil.simpleClassName(this.clazz) + ".class"; 
    } 
}

Netty 高性能并发调优

　　对于线程池的合理利用是提高程序性能的有效途径之一，这里我通过线程池来测试Netty的性能，这里按照我们原来的代码来启动一个服务端:

public class Server { 
public static void main(String[] args) { 
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); 
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); 
        ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); 
        bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) 
                .channel(NioServerSocketChannel.class) 
                .childOption(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true); 
        bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
            @Override 
            protected void initChannel(SocketChannel ch) { 
                //自定义长度的解码，每次发送一个long类型的长度数据 
                //一会每次传递一个系统的时间戳 
                ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(Long.BYTES));
　　　　　　　　　 ch.pipeline().addLast(ServerHandler.INSTANCE);

　　　　　　  } 
        }); 
 
        ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).addListener(new ChannelFutureListener() { 
            public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception { 
                System.out.println("bind success in port: " + port); 
            } 
        }); 
    } 
}

　　这里唯一有变化的就是处理的ChannelHadler:

@ChannelHandler.Sharable 
public class ServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> { 
    public static final ChannelHandler INSTANCE = new ServerHandler();
 
    //channelread0是主线程 
    @Override 
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) { 
        ByteBuf data = Unpooled.directBuffer(); 
        //从客户端读一个时间戳 
        data.writeBytes(msg); 
        //模拟一次业务处理，有可能是数据库操作，也有可能是逻辑处理 
        Object result = getResult(data); 
        //重新写会给客户端 
        ctx.channel().writeAndFlush(result); 
    } 
    //模拟去数据库拿到一个结果 
    protected Object getResult(ByteBuf data) { 
        int level = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 1000); 
        //计算出每次响应需要的时间，用来做作为QPS的参考数据 
        //90.0% == 1ms   1000 100 > 1ms 
        int time; 
        if (level <= 900) { 
            time = 1; 
        //95.0% == 10ms    1000 50 > 10ms 
        } else if (level <= 950) { 
            time = 10; 
        //99.0% == 100ms    1000 10 > 100ms 
        } else if (level <= 990) { 
            time = 100; 
        //99.9% == 1000ms    1000 1 > 1000ms 
        } else { 
            time = 1000; 
        } 
        try { 
            Thread.sleep(time); 
        } catch (InterruptedException e) { 
        } 
        return data; 
    } 
}

　　客户端代码：

public class Client { 
 
    private static final String SERVER_HOST = "127.0.0.1"; 
 
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
        new Client().start(8080); 
    } 
    public void start(int port) throws Exception { 
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup(); 
        final Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); 
        bootstrap.group(eventLoopGroup) 
                .channel(NioSocketChannel.class) 
                .option(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true) 
                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
                    @Override 
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) { 
                        ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(Long.BYTES)); 
                        ch.pipeline().addLast(ClientHandler.INSTANCE); 
                    } 
        }); 
 
        //客户端每秒钟向服务端发起1000次请求 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
            bootstrap.connect(SERVER_HOST, port).get(); 
        } 
    } 
}

·客户端Handler:

@ChannelHandler.Sharable 
public class ClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> { 
    public static final ChannelHandler INSTANCE = new ClientHandler(); 
 
    private static AtomicLong beginTime = new AtomicLong(0); 
    //总响应时间 
    private static AtomicLong totalResponseTime = new AtomicLong(0); 
    //总请求数 
    private static AtomicInteger totalRequest = new AtomicInteger(0); 
 
    public static final Thread THREAD = new Thread(){ 
        @Override 
        public void run() { 
            try { 
                while (true) { 
                    long duration = System.currentTimeMillis() - beginTime.get(); 
                    if (duration != 0) { 
                        System.out.println("QPS: " + 1000 * totalRequest.get() / duration + ", " + "平均响应时间: " + ((float) totalResponseTime.get()) / totalRequest.get() + "ms."); 
                        Thread.sleep(2000); 
                    } 
                } 
            } catch (InterruptedException ignored) { 
            } 
        } 
    }; 
 
    @Override 
    public void channelActive(final ChannelHandlerContext ctx) {
　　　　 //上线,定时发送 
        ctx.executor().scheduleAtFixedRate(new Runnable() { 
            public void run() { 
                ByteBuf byteBuf = ctx.alloc().ioBuffer(); 
                //将当前系统时间发送到服务端 
                byteBuf.writeLong(System.currentTimeMillis()); 
                ctx.channel().writeAndFlush(byteBuf); 
            } 
        }, 0, 1, TimeUnit.SECONDS); 
    } 
 
    @Override 
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) { 
        //获取一个响应时间差，本次请求的响应时间 
        totalResponseTime.addAndGet(System.currentTimeMillis() - msg.readLong()); 
        //每次自增 
        totalRequest.incrementAndGet(); 
        //第一次是0 会进入这里，同事设置开始时间为当前系统时间，启动线程 
        if (beginTime.compareAndSet(0, System.currentTimeMillis())) { 
            THREAD.start(); 
        } 
    } 
}

　　通过测试我们会发现服务的性能是越来越差，这样下去那么最后会导致无法再提供服务了：

　　接下去我们通过线程池去解决这个问题，重新写一个Handler来处理请求（线程池大小经过测试，在我的机器上100左右为最佳机器性能决定线程池大小性能）：

@ChannelHandler.Sharable 
public class ServerThreadPoolHandler extends ServerHandler { 
    public static final ChannelHandler INSTANCE = new ServerThreadPoolHandler(); 
    private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100); 
    @Override 
    protected void channelRead0(final ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) { 
        final ByteBuf data = Unpooled.directBuffer(); 
        data.writeBytes(msg); 
        threadPool.submit(new Runnable() { 
            public void run() { 
                Object result = getResult(data); 
                ctx.channel().writeAndFlush(result); 
            } 
        }); 
    } 
}

　　利用线程池处理再来看性能结果，可以看到性能有非常好的提升：

　　除了自己定义的Handler中进行线程池的处理之外，Netty本身就给我们提供了这么一个机制，这个主要是在ch.pipeline().addLast(ServerHandler.INSTANCE);的时候指定一个线程池大小：

final EventLoopGroup businessGroup = new NioEventLoopGroup(100); 
ch.pipeline().addLast(businessGroup, ServerHandler.INSTANCE);

　　在然我们来看看自带的线程池是否也能达到我们要的性能，可以看到性能也是有很明显地提高的：

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