【✺网络编程】Netty面试题

Netty是什么？

Netty是 一个异步事件驱动的网络应用程序框架，用于快速开发可维护的高性能协议服务器和客户端。Netty是基于nio的，它封装了jdk的nio，让我们使用起来更加方法灵活。

Netty架构设计

功能特性

• 传输服务：支持BIO和NIO
• 容器集成：支持OSGI、JBossMC、Spring、Guice容器
• 协议支持：HTTP、Protobuf、二进制、文本、WebSocket等一系列常见协议都支持。还支持通过实行编码解码逻辑来实现自定义协议
• Core核心：可扩展事件模型、通用通信API、支持零拷贝的ByteBuf缓冲对象

模块组件

Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap意思是引导，一个Netty应用通常由一个Bootstrap开始，主要作用是配置整个Netty程序，串联各个组件，Netty中Bootstrap类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap是服务端启动引导类。

Future、ChannelFuture

在Netty中所有的IO操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理，但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过Future和ChannelFuture，注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

Channel

Netty网络通信的组件，能够用于执行网络I/O操作。Channel为用户提供：

• 当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）
• 网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）
• 提供异步的网络I/O操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何I/O调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的I/O操作已完成。调用立即返回一个ChannelFuture实例，通过注册监听器到ChannelFuture上，可以I/O操作成功、失败或取消时回调通知调用方。
• 支持关联I/O操作与对应的处理程序

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应，下面是一些常用的 Channel 类型：

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接 这些通道涵盖了 UDP 和 TCP网络 IO以及文件 IO。

Selector

Netty基于Selector对象实现I/O多路复用，通过 Selector, 一个线程可以监听多个连接的Channel事件， 当向一个Selector中注册Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(select) 这些注册的Channel是否有已就绪的I/O事件(例如可读, 可写, 网络连接完成等)，这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

NioEventLoop

NioEventLoop中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用NioEventLoop的run方法，执行I/O任务和非I/O任务：

• I/O任务 即selectionKey中ready的事件，如accept、connect、read、write等，由processSelectedKeys方法触发。
• 非IO任务 添加到taskQueue中的任务，如register0、bind0等任务，由runAllTasks方法触发。

两种任务的执行时间比由变量ioRatio控制，默认为50，则表示允许非IO任务执行的时间与IO任务的执行时间相等。

NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理eventLoop的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个Channel上的事件，而一个Channel只对应于一个线程。

ChannelHandler

ChannelHandler是一个接口，处理I/O事件或拦截I/O操作，并将其转发到其ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

• ChannelInboundHandler用于处理入站I/O事件
• ChannelOutboundHandler用于处理出站I/O操作

或者使用以下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter用于处理入站I/O事件
• ChannelOutboundHandlerAdapter用于处理出站I/O操作
• ChannelDuplexHandler用于处理入站和出站事件

ChannelHandlerContext

保存Channel相关的所有上下文信息，同时关联一个ChannelHandler对象

ChannelPipline

保存ChannelHandler的List，用于处理或拦截Channel的入站事件和出站操作。ChannelPipeline实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及Channel中各个的ChannelHandler如何相互交互。

下图引用Netty的Javadoc4.1中ChannelPipline的说明，描述了ChannelPipeline中ChannelHandler通常如何处理I/O事件。I/O事件由ChannelInboundHandler或ChannelOutboundHandler处理，并通过调用ChannelHandlerContext中定义的事件传播方法（例如ChannelHandlerContext.fireChannelRead（Object）和ChannelOutboundInvoker.write（Object））转发到其最近的处理程序。

                                                I/O Request
                                            via Channel or
                                        ChannelHandlerContext
                                                      |
  +---------------------------------------------------+---------------+
  |                           ChannelPipeline         |               |
  |                                                  \|/              |
  |    +---------------------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  N  |            | Outbound Handler  1  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|\                                  |               |
  |               |                                  \|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler N-1 |            | Outbound Handler  2  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|\                                  .               |
  |               .                                   .               |
  | ChannelHandlerContext.fireIN_EVT() ChannelHandlerContext.OUT_EVT()|
  |        [ method call]                       [method call]         |
  |               .                                   .               |
  |               .                                  \|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  2  |            | Outbound Handler M-1 |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|\                                  |               |
  |               |                                  \|/              |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |    | Inbound Handler  1  |            | Outbound Handler  M  |    |
  |    +----------+----------+            +-----------+----------+    |
  |              /|\                                  |               |
  +---------------+-----------------------------------+---------------+
                  |                                  \|/
  +---------------+-----------------------------------+---------------+
  |               |                                   |               |
  |       [ Socket.read() ]                    [ Socket.write() ]     |
  |                                                                   |
  |  Netty Internal I/O Threads (Transport Implementation)            |
  +-------------------------------------------------------------------+

入站事件由自下而上方向的入站处理程序处理，如图左侧所示。入站Handler处理程序通常处理由图底部的I / O线程生成的入站数据。通常通过实际输入操作（例如SocketChannel.read（ByteBuffer））从远程读取入站数据。

出站事件由上下方向处理，如图右侧所示。出站Handler处理程序通常会生成或转换出站传输，例如write请求。I/O线程通常执行实际的输出操作，例如SocketChannel.write（ByteBuffer）。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应, 它们的组成关系如下：

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline, 而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表, 并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。入站事件和出站事件在一个双向链表中，入站事件会从链表head往后传递到最后一个入站的handler，出站事件会从链表tail往前传递到最前一个出站的handler，两种类型的handler互不干扰。

工作原理架构

初始化并启动Netty服务端过程如下：

public static void main(String[] args) {
    // 创建mainReactor
    NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup();
    // 创建工作线程组
    NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

    final ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
    serverBootstrap 
        // 组装NioEventLoopGroup 
        .group(boosGroup, workerGroup)
        // 设置channel类型为NIO类型
        .channel(NioServerSocketChannel.class)
        // 设置连接配置参数
        .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
        .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
        .childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
        // 配置入站、出站事件handler
        .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                // 配置入站、出站事件channel
                ch.pipeline().addLast(...);
                ch.pipeline().addLast(...);
            }
        });

    // 绑定端口
    int port = 8080;
    serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> {
        if (future.isSuccess()) {
            System.out.println(new Date() + ": 端口[" + port + "]绑定成功!");
        } else {
            System.err.println("端口[" + port + "]绑定失败!");
        }
    });
}

基本过程如下：

• 初始化创建2个NioEventLoopGroup，其中boosGroup用于Accetpt连接建立事件并分发请求， workerGroup用于处理I/O读写事件和业务逻辑
• 基于ServerBootstrap(服务端启动引导类)，配置EventLoopGroup、Channel类型，连接参数、配置入站、出站事件handler
• 绑定端口，开始工作

结合上面的介绍的Netty Reactor模型，介绍服务端Netty的工作架构图：

server端包含1个Boss NioEventLoopGroup和1个Worker NioEventLoopGroup，NioEventLoopGroup相当于1个事件循环组，这个组里包含多个事件循环NioEventLoop，每个NioEventLoop包含1个selector和1个事件循环线程。

每个Boss NioEventLoop循环执行的任务包含3步：

• 轮询accept事件
• 处理accept I/O事件，与Client建立连接，生成NioSocketChannel，并将NioSocketChannel注册到某个Worker NioEventLoop的Selector上 *3 处理任务队列中的任务，runAllTasks。任务队列中的任务包括用户调用eventloop.execute或schedule执行的任务，或者其它线程提交到该eventloop的任务。

每个Worker NioEventLoop循环执行的任务包含3步：

• 轮询read、write事件；
• 处I/O事件，即read、write事件，在NioSocketChannel可读、可写事件发生时进行处理
• 处理任务队列中的任务，runAllTasks。

Netty的特点是什么？

• 高并发：Netty 是一款基于 NIO（Nonblocking IO，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于 BIO（Blocking I/O，阻塞IO），它的并发性能得到了很大提高。
• 传输快：Netty 的传输依赖于零拷贝特性，尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。
• 封装好：Netty 封装了 NIO 操作的很多细节，提供了易于使用调用接口。

Netty的优势有哪些？

• 使用简单：封装了 NIO 的很多细节，使用更简单。
• 功能强大：预置了多种编解码功能，支持多种主流协议。
• 定制能力强：可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活地扩展。
• 性能高：通过与其他业界主流的 NIO 框架对比，Netty 的综合性能最优。
• 稳定：Netty 修复了已经发现的所有 NIO 的 bug，让开发人员可以专注于业务本身。
• 社区活跃：Netty 是活跃的开源项目，版本迭代周期短，bug 修复速度快。

Netty的应用场景有哪些？

典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo，默认使用 Netty 作为基础通信组件，还有 RocketMQ 也是使用 Netty 作为通讯的基础。

Netty高性能表现在哪些方面？

• IO 线程模型：同步非阻塞，用最少的资源做更多的事。
• 内存零拷贝：尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。
• 内存池设计：申请的内存可以重用，主要指直接内存。内部实现是用一颗二叉查找树管理内存分配情况。
• 串形化处理读写：避免使用锁带来的性能开销。
• 高性能序列化协议：支持 protobuf 等高性能序列化协议。

BIO、NIO和AIO的区别？

BIO：一个连接一个线程，客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。线程开销大。伪异步IO：将请求连接放入线程池，一对多，但线程还是很宝贵的资源。

NIO：一个请求一个线程，但客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。

AIO：一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，

BIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的；BIO的各种流是阻塞的。而NIO是非阻塞的；BIO的Stream是单向的，而NIO的channel是双向的。

NIO的特点：事件驱动模型、单线程处理多任务、非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞，而是返回0、基于block的传输比基于流的传输更高效、更高级的IO函数zero-copy、IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性。基于Reactor线程模型。

在Reactor模式中，事件分发器等待某个事件或者可应用或一个操作的状态发生，事件分发器就把这个事件传给事先注册的事件处理函数或者回调函数，由后者来做实际的读写操作。如在Reactor中实现读：注册读就绪事件和相应的事件处理器、事件分发器等待事件、事件到来，激活分发器，分发器调用事件对应的处理器、事件处理器完成实际的读操作，处理读到的数据，注册新的事件，然后返还控制权。

Netty的线程模型？

Netty通过Reactor模型基于多路复用器接收并处理用户请求，内部实现了两个线程池，boss线程池和work线程池，其中boss线程池的线程负责处理请求的accept事件，当接收到accept事件的请求时，把对应的socket封装到一个NioSocketChannel中，并交给work线程池，其中work线程池负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。

单线程模型

所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。既要接收客户端的连接请求，又要发送/读取请求或应答/响应消息。一个NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，速度慢，若线程进入死循环，整个程序不可用，对于高负载、大并发的应用场景不合适。

多线程模型

有一个NIO 线程（Acceptor） 只负责监听服务端，接收客户端的TCP 连接请求；NIO 线程池负责网络IO 的操作，即消息的读取、解码、编码和发送；1 个NIO 线程可以同时处理N 条链路，但是1 个链路只对应1 个NIO 线程，这是为了防止发生并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时，一个Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

主从多线程模型

Acceptor 线程用于绑定监听端口，接收客户端连接，将SocketChannel 从主线程池的Reactor 线程的多路复用器上移除，重新注册到Sub 线程池的线程上，用于处理I/O 的读写等操作，从而保证mainReactor只负责接入认证、握手等操作；

TCP 粘包/拆包的原因及解决方法？

TCP是以流的方式来处理数据，一个完整的包可能会被TCP拆分成多个包进行发送，也可能把小的封装成一个大的数据包发送。

TCP粘包/分包的原因

应用程序写入的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小，会发生拆包现象，而应用程序写入数据小于套接字缓冲区大小，网卡将应用多次写入的数据发送到网络上，这将会发生粘包现象；

解决方法

（1）消息定长：FixedLengthFrameDecoder类

（2）包尾增加特殊字符分割：

• 行分隔符类：LineBasedFrameDecoder
• 或自定义分隔符类 ：DelimiterBasedFrameDecoder

（3）将消息分为消息头和消息体：LengthFieldBasedFrameDecoder类。分为有头部的拆包与粘包、长度字段在前且有头部的拆包与粘包、多扩展头部的拆包与粘包。

什么是Netty的零拷贝？

Netty 的零拷贝主要包含三个方面：

• 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。
• 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。
• 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。

Netty中有哪种重要组件？

• Channel：Netty 网络操作抽象类，它除了包括基本的 I/O 操作，如 bind、connect、read、write 等。
• EventLoop：主要是配合 Channel 处理 I/O 操作，用来处理连接的生命周期中所发生的事情。
• ChannelFuture：Netty 框架中所有的 I/O 操作都为异步的，因此我们需要 ChannelFuture 的 addListener()注册一个 ChannelFutureListener 监听事件，当操作执行成功或者失败时，监听就会自动触发返回结果。
• ChannelHandler：充当了所有处理入站和出站数据的逻辑容器。ChannelHandler 主要用来处理各种事件，这里的事件很广泛，比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。
• ChannelPipeline：为 ChannelHandler 链提供了容器，当 channel 创建时，就会被自动分配到它专属的 ChannelPipeline，这个关联是永久性的。

Netty发送消息有几种方式？

Netty 有两种发送消息的方式：

• 直接写入 Channel 中，消息从 ChannelPipeline 当中尾部开始移动；
• 写入和 ChannelHandler 绑定的 ChannelHandlerContext 中，消息从 ChannelPipeline 中的下一个 ChannelHandler 中移动。

默认情况 Netty 起多少线程？何时启动？

Netty 默认是 CPU 处理器数的两倍，bind 完之后启动。

了解哪几种序列化协议？

序列化（编码）是将对象序列化为二进制形式（字节数组），主要用于网络传输、数据持久化等；而反序列化（解码）则是将从网络、磁盘等读取的字节数组还原成原始对象，主要用于网络传输对象的解码，以便完成远程调用。

影响序列化性能的关键因素：序列化后的码流大小（网络带宽的占用）、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）。

Java默认提供的序列化：无法跨语言、序列化后的码流太大、序列化的性能差。

XML

优点：人机可读性好，可指定元素或特性的名称。

缺点：序列化数据只包含数据本身以及类的结构，不包括类型标识和程序集信息；只能序列化公共属性和字段；不能序列化方法；文件庞大，文件格式复杂，传输占带宽。适用场景：当做配置文件存储数据，实时数据转换。

JSON

一种轻量级的数据交换格式。

优点：兼容性高、数据格式比较简单，易于读写、序列化后数据较小，可扩展性好，兼容性好，与XML相比，其协议比较简单，解析速度比较快。

缺点：数据的描述性比XML差、不适合性能要求为ms级别的情况、额外空间开销比较大。适用场景（可替代ＸＭＬ）：跨防火墙访问、可调式性要求高、基于Web browser的Ajax请求、传输数据量相对小，实时性要求相对低（例如秒级别）的服务。

Fastjson

采用一种“假定有序快速匹配”的算法。

优点：接口简单易用、目前java语言中最快的json库。

缺点：过于注重快而偏离了“标准”及功能性，代码质量不高，文档不全。适用场景：协议交互、Web输出、Android客户端

Thrift

不仅是序列化协议，还是一个RPC框架。

优点：序列化后的体积小，速度快，支持多种语言和丰富的数据类型，对于数据字段的增删具有较强的兼容性，支持二进制压缩编码。

缺点：使用者较少，跨防火墙访问时，不安全，不具有可读性，调试代码时相对困难，不能与其他传输层协议共同使用（例如HTTP），无法支持向持久层直接读写数据，即不适合做数据持久化序列化协议。

适用场景：分布式系统的RPC解决方案。

Avro

Hadoop的一个子项目，解决了JSON的冗长和没有IDL的问题。

优点：支持丰富的数据类型、简单的动态语言结合功能、具有自我描述属性、提高了数据解析速度、快速可压缩的二进制数据形式、可以实现远程过程调用RPC、支持跨编程语言实现。

缺点：对于习惯于静态类型语言的用户不直观。

适用场景：在Hadoop中做Hive、Pig和MapReduce的持久化数据格式。

Protobuf

将数据结构以.proto文件进行描述，通过代码生成工具可以生成对应数据结构的POJO对象和Protobuf相关的方法和属性。

优点：序列化后码流小，性能高，结构化数据存储格式（XML JSON等），通过标识字段的顺序，可以实现协议的前向兼容，结构化的文档更容易管理和维护。

缺点：需要依赖于工具生成代码，支持的语言相对较少，官方只支持Java 、C++ 、python。

适用场景：对性能要求高的RPC调用、具有良好的跨防火墙的访问属性、适合应用层对象的持久化。

如何选择序列化协议？

对于公司间的系统调用，如果性能要求在100ms以上的服务，基于XML的SOAP协议是一个值得考虑的方案。基于Web browser的Ajax，以及Mobile app与服务端之间的通讯，JSON协议是首选。

对于性能要求不太高，或者以动态类型语言为主，或者传输数据载荷很小的的运用场景，JSON也是非常不错的选择。

对于调试环境比较恶劣的场景，采用JSON或XML能够极大的提高调试效率，降低系统开发成本。

当对性能和简洁性有极高要求的场景，Protobuf，Thrift，Avro之间具有一定的竞争关系。对于T级别的数据的持久化应用场景，Protobuf和Avro是首要选择。如果持久化后的数据存储在hadoop子项目里，Avro会是更好的选择。

如果需要提供一个完整的RPC解决方案，Thrift是一个好的选择。

如果序列化之后需要支持不同的传输层协议，或者需要跨防火墙访问的高性能场景，Protobuf可以优先考虑。

Netty 支持哪些心跳类型设置？

• readerIdleTime：为读超时时间（即测试端一定时间内未接受到被测试端消息）。
• writerIdleTime：为写超时时间（即测试端一定时间内向被测试端发送消息）。
• allIdleTime：所有类型的超时时间。

Netty 和 Tomcat 的区别？

• 作用不同：Tomcat 是 Servlet 容器，可以视为 Web 服务器，而 Netty 是异步事件驱动的网络应用程序框架和工具用于简化网络编程，例如TCP和UDP套接字服务器。
• 协议不同：Tomcat 是基于 http 协议的 Web 服务器，而 Netty 能通过编程自定义各种协议，因为 Netty 本身自己能编码/解码字节流，所有 Netty 可以实现，HTTP 服务器、FTP 服务器、UDP 服务器、RPC 服务器、WebSocket 服务器、Redis 的 Proxy 服务器、MySQL 的 Proxy 服务器等等。

 

参考：

• Netty面试题（最新版）