晋级系统的拍卖成效和现身品质,那种原本的多线程编制程序作用和属性都不高永利会娱乐

 

1. 背景

 

1.1. Java线程模型的多变

1. 背景

1.1.1. 单线程

日子回到十几年前,那时主流的CPU都还是单核(除了商用高质量的小机),CPU的着力频率是机器最要害的指标之一。

在Java领域当时可比流行的是单线程编制程序,对于CPU密集型的应用程序而言,频仍的经过二十四线程举行同盟和侵吞时间片反而会降低质量。

1.1. Java线程模子的变异

1.1.2. 多线程

乘机硬件质量的升级换代,CPU的核数越来越越来越多,很多服务器标配已经达到32或64核。通过三十二线程并发编制程序,能够充裕利用多核CPU的处理能力,提高系统的拍卖功用和出现质量。

从二零零五年起来,随着多核处理器的逐步推广,java的二十多线程并发编制程序也渐渐流行起来,当时商用主流的JDK版本是1.4,用户能够透过
new Thread()的法门成立新的线程。

鉴于JDK1.4并不曾提供类似线程池那样的线程管理容器,四线程之间的一块儿、合营、创制和销毁等工作都亟需用户自个儿完结。由于成立和销毁线程是个相对相比较重量级的操作,由此,那种原本的多线程编制程序功效和性质都不高。

1.1.1. 单线程

时光赶回十几年前,那时主流的CPU都依然单核(除了商用高品质的小机),CPU的主导频率是机械最要紧的指标之一。

在Java领域当时可比盛行的是单线程编制程序,对于CPU密集型的应用程序而言,频仍的通过八线程进行合营和私吞时间片反而会减低品质。

1.1.3. 线程池

为了升高Java多线程编制程序的频率和总体性,下跌用户支出难度。JDK1.5推出了java.util.concurrent并发编制程序包。在并发编制程序类库中,提供了线程池、线程安全容器、原子类等新的类库,十分的大的晋升了Java十六线程编制程序的频率,下降了开发难度。

从JDK1.5方始,基于线程池的面世编制程序已经化为Java多核编程的主流。

1.1.2. 多线程

趁着硬件质量的升官,CPU的核数越来越更加多,很多服务器标配已经达到规定的标准32或64核。通过二十八线程并发编制程序,能够充裕利用多核CPU的处理能力,进步系统的拍卖效能和产出质量。

从二〇〇五年开首,随着多核处理器的慢慢普及,java的四线程并发编制程序也日趋流行起来,当时商用主流的JDK版本是1.4,用户能够由此new Thread()的艺术开立异的线程。

出于JDK1.4并没有提供类似线程池那样的线程管理容器,多线程之间的同步、同盟、创制和销毁等工作都亟需用户自身达成。由于创立和销毁线程是个相对相比较重量级的操作,由此,那种原本的多线程编制程序功用和质量都不高。

1.2. Reactor模型

不管C++依旧Java编写的互连网框架,大部分都是依照Reactor形式开始展览统一筹划和支付,Reactor形式基于事件驱动,越发符合处理海量的I/O事件。

1.1.3. 线程池

为了升高Java十六线程编制程序的频率和属性,下落用户支出难度。JDK1.5出产了java.util.concurrent并发编制程序包。在并发编制程序类库中,提供了线程池、线程安全容器、原子类等新的类库,一点都不小的提高了Java十二线程编制程序的频率,下落了支付难度。

从JDK1.5始发,基于线程池的面世编程已经济体改为Java多核编制程序的主流。

1.2.1. 单线程模型

Reactor单线程模型,指的是怀有的IO操作都在同三个NIO线程上边完毕,NIO线程的职责如下:

1)作为NIO服务端,接收客户端的TCP连接;

2)作为NIO客户端,向服务端发起TCP连接;

3)读取通讯对端的乞请或许应答音信;

4)向通讯对端发送新闻请求也许应答音信。

Reactor单线程模型示意图如下所示:

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图1-1
Reactor单线程模型

由于Reactor形式应用的是异步非阻塞IO,全部的IO操作都不会招致短路,理论上一个线程能够独自处理全数IO相关的操作。从框架结构层面看,二个NIO线程确实能够达成其承担的职务。例如,通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求音讯,链路起家成功之后,通过Dispatch将相应的ByteBuffer派发到钦赐的Handler上海展览中心开音信解码。用户线程能够经过新闻编码通过NIO线程将消息发送给客户端。

对此有个别小体量应用场景,能够使用单线程模型。但是对于高负载、大并发的应用场景却不对劲,主因如下:

1)一个NIO线程同时处理成都百货上千的链路,品质上不能支撑,即使NIO线程的CPU负荷达到百分百,也无力回天满意海量音讯的编码、解码、读取和发送;

2)当NIO线程负载超重之后,处理速度将变慢,那会造成大气客户端连接超时,超时今后往往会进展重发,那特别深了NIO线程的载荷,最后会促成多量消息积压和处理超时,成为系统的习性瓶颈;

3)可相信性难题:一旦NIO线程意外跑飞,恐怕进入死循环,会造成整个种类通讯模块不可用,不可能接过和拍卖外部音讯,造成节点故障。

为了缓解这几个难题,演进出了Reactor二十八线程模型,上面大家一块上学下Reactor多线程模型。

1.2. Reactor模型

不论是C++照旧Java编写的互连网框架,大部分都以依照Reactor格局实行规划和开销,Reactor格局基于事件驱动,尤其适合处理海量的I/O事件。

1.2.2. 四线程模型

Rector八线程模型与单线程模型最大的差异正是有一组NIO线程处理IO操作,它的规律图如下:

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图1-2
Reactor多线程模型

Reactor多线程模型的特点:

1)有特别3个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端,接收客户端的TCP连接请求;

2)网络IO操作-读、写等由三个NIO线程池负责,线程池能够选拔专业的JDK线程池实现,它包含一个义务队列和N个可用的线程,由这几个NIO线程负责音信的读取、解码、编码和出殡和埋葬;

3)2个NIO线程能够而且处理N条链路,但是三个链路只对应2个NIO线程,幸免产生并发操作难题。

在大部分现象下,Reactor十二线程模型都得以满意质量必要;可是,在极个别特殊境况中,贰个NIO线程负责监听和拍卖全部的客户端连接恐怕会设有品质问题。例如并发百万客户端连接,大概服务端须要对客户端握手实行安全声明,可是认证作者极度损耗质量。在那类场景下,单独2个Acceptor线程可能会存在质量不足难点,为了解决品质问题,发生了第两种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

1.2.1. 单线程模型

Reactor单线程模型,指的是有所的IO操作都在同贰个NIO线程下面达成,NIO线程的职务如下:

1)作为NIO服务端,接收客户端的TCP连接;

2)作为NIO客户端,向服务端发起TCP连接;

3)读取通信对端的伸手大概应答消息;

4)向通讯对端发送音信请求大概应答音信。

Reactor单线程模型示意图如下所示:

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图1-1 Reactor单线程模型

是因为Reactor格局应用的是异步非阻塞IO,全部的IO操作都不会招致短路,理论上三个线程能够独自处理全部IO相关的操作。从架构层面看,三个NIO线程确实可以做到其负责的职责。例如,通过Acceptor类接收客户端的TCP连接请求消息,链路确立成功现在,通过Dispatch将相应的ByteBuffer派发到钦定的Handler上举办音信解码。用户线程可以通过新闻编码通过NIO线程将音信发送给客户端。

对于部分小体量应用场景,能够选拔单线程模型。但是对于高负载、大并发的施用场景却不合适,重要缘由如下:

1)四个NIO线程同时处理成都百货上千的链路,性能上无法支撑,即使NIO线程的CPU负荷达到百分之百,也无所适从满意海量音讯的编码、解码、读取和发送;

2)当NIO线程负载超重之后,处理速度将变慢,那会促成大批量客户端连接超时,超时从此往往会举行重发,那越发剧了NIO线程的负载,最后会招致大气新闻积压和拍卖超时,成为系统的性情瓶颈;

3)可靠性难题:一旦NIO线程意外跑飞,恐怕进入死循环,会导致整个种类通信模块不可用,无法吸纳和拍卖外部音讯,造成节点故障。

为了缓解这一个题材,演进出了Reactor二十二十四线程模型,上面大家一齐念书下Reactor三十二线程模型。

1.2.3. 主从二十四线程模型

着力Reactor线程模型的特征是:服务端用于吸收接纳客户端连接的不再是个3个单身的NIO线程,而是1个独门的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完了后(恐怕带有接入认证等),将新创设的SocketChannel注册到IO线程池(sub
reactor线程池)的有个别IO线程上,由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登⑥ 、握手和日喀则认证,一旦链路建立成功,就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上,由IO线程负责后续的IO操作。

它的线程模型如下图所示:

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图1-3
主从Reactor四线程模型

选取为主NIO线程模型,能够缓解1个服务端监听线程不能够有效处理全部客户端连接的品质不足问题。

它的劳作流程总计如下:

  1. 从主线程池中肆意选择2个Reactor线程作为Acceptor线程,用于绑定监听端口,接收客户端连接;

  2. Acceptor线程接收客户端连接请求之后成立新的SocketChannel,将其登记到主线程池的别样Reactor线程上,由其承担接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作;

  3. 手续2完事之后,业务层的链路正式建立,将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除,重新挂号到Sub线程池的线程上,用于拍卖I/O的读写操作。

  4. Netty线程模型


1.2.2. 多线程模型

Rector八线程模型与单线程模型最大的界别正是有一组NIO线程处理IO操作,它的原理图如下:

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图1-2 Reactor二十三十二线程模型

Reactor三十二线程模型的特性:

1)有尤其二个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端,接收客户端的TCP连接请求;

2)网络IO操作-读、写等由八个NIO线程池负责,线程池能够利用专业的JDK线程池完毕,它包涵一个任务队列和N个可用的线程,由那几个NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送;

3)二个NIO线程可以而且处理N条链路,不过3个链路只对应1个NIO线程,制止爆发并发操作难点。

在大部分场景下,Reactor十二线程模型都能够满意质量供给;不过,在极个别特殊现象中,1个NIO线程负责监听和处理全数的客户端连接或者会存在质量难点。例如并发百万客户端连接,可能服务端须要对客户端握手实行安全申明,但是认证小编非常损耗品质。在这类场景下,单独一个Acceptor线程大概会存在品质不足难题,为了缓解质量难题,发生了第二种Reactor线程模型-主从Reactor多线程模型。

2.1. Netty线程模型分类

实际,Netty的线程模型与1.2章节中介绍的二种Reactor线程模型相似,上边章节大家经过Netty服务端和客户端的线程处理流程图来介绍Netty的线程模型。

1.2.3. 主从二十四线程模型

主导Reactor线程模型的个性是:服务端用于吸收接纳客户端连接的不再是个贰个独立的NIO线程,而是二个单身的NIO线程池。Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完毕后(或然包括接入认证等),将新创造的SocketChannel注册到IO线程池(sub
reactor线程池)的有个别IO线程上,由它承担SocketChannel的读写和编解码工作。Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登⑥ 、握手和平安注解,一旦链路建立成功,就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上,由IO线程负责后续的IO操作。

它的线程模型如下图所示:

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图1-3 主从Reactor十六线程模型

运用中央NIO线程模型,能够缓解三个服务端监听线程无法有效处理全数客户端连接的天性不足难点。

它的办事流程计算如下:

  1. 从主线程池中肆意挑选叁个Reactor线程作为Acceptor线程,用于绑定监听端口,接收客户端连接;

  2. Acceptor线程接收客户端连接请求之后创设新的SocketChannel,将其登记到主线程池的其余Reactor线程上,由其承受接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作;

  3. 步骤2到位以往,业务层的链路正式确立,将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除,重新挂号到Sub线程池的线程上,用于拍卖I/O的读写操作。

  4. Netty线程模型


2.1.1. 劳动端线程模型

一种比较盛行的做法是服务端监听线程和IO线程分离,类似于Reactor的二十八线程模型,它的干活原理图如下:

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图2-1
Netty服务端线程工作流程

上面我们结合Netty的源码,对服务端创制线程工作流程展开介绍:

首先步,从用户线程发起创制伏务端操作,代码如下:

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图2-2
用户线程创立服务端代码示例

一般而言状态下,服务端的创立是在用户过程运维的时候进行,由此一般由Main函数只怕运行类负责创设,服务端的创导由业务线程负责完结。在创设服务端的时候实例化了二个伊芙ntLoopGroup,1个伊夫ntLoopGroup实际正是3个伊芙ntLoop线程组,负责管理EventLoop的提请和自由。

伊夫ntLoopGroup管理的线程数能够经过构造函数设置,假诺没有设置,私下认可取-Dio.netty.eventLoopThreads,假诺该系统参数也平昔不点名,则为可用的CPU内核数
× 2。

bossGroup线程组实际正是Acceptor线程池,负责处理客户端的TCP连接请求,即便系统唯有3个劳动端端口要求监听,则提议bossGroup线程组线程数设置为1。

workerGroup是确实担当I/O读写操作的线程组,通过ServerBootstrap的group方法实行设置,用于后续的Channel绑定。

第一步,Acceptor线程绑定监听端口,运营NIO服务端,相关代码如下:

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图2-3
从bossGroup中挑选一个Acceptor线程监听服务端

内部,group()再次来到的便是bossGroup,它的next方法用于从线程组中拿走可用线程,代码如下:

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图2-4
选择Acceptor线程

劳务端Channel创建完结现在,将其登记到多路复用器Selector上,用于吸纳客户端的TCP连接,大旨代码如下:

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图2-5
注册ServerSocketChannel 到Selector

其三步,要是监听到客户端连接,则开创客户端SocketChannel连接,重新登记到workerGroup的IO线程上。首先看Acceptor如何处理客户端的过渡:

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图2-6
处理读或许两次三番事件

调用unsafe的read()方法,对于NioServerSocketChannel,它调用了NioMessageUnsafe的read()方法,代码如下:

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图2-7
NioServerSocketChannel的read()方法

说到底它会调用NioServerSocketChannel的doReadMessages方法,代码如下:

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图2-8
成立客户端连接SocketChannel

里头child伊夫ntLoopGroup正是事先的workerGroup,
从中选择三个I/O线程负责互联网音信的读写。

第⑤步,选用IO线程之后,将SocketChannel注册到多路复用器上,监听READ操作。

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图2-9
监听网络读事件

第伍步,处理互连网的I/O读写事件,大旨代码如下:

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图2-10
处理读写事件

2.1. Netty线程模型分类

事实上,Netty的线程模型与1.2章节中介绍的二种Reactor线程模型相似,上边章节我们经过Netty服务端和客户端的线程处理流程图来介绍Netty的线程模型。

2.1.2. 客户端线程模型

相比较于服务端,客户端的线程模型不难一些,它的劳作规律如下:

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图2-11
Netty客户端线程模型

首先步,由用户线程发起客户端连接,示例代码如下:

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图2-12
Netty客户端创制代码示例

世家发现比较于服务端,客户端只必要成立多个伊芙ntLoopGroup,因为它不需求单独的线程去监听客户端连接,也没要求通过贰个独门的客户端线程去老是服务端。Netty是异步事件驱动的NIO框架,它的一连和全部IO操作都是异步的,因而不须求成立单独的连日线程。相关代码如下:

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图2-13
绑定客户端连接线程

现阶段的group()正是从前盛传的伊芙ntLoopGroup,从中获得可用的IO线程伊夫ntLoop,然后作为参数设置到新创制的NioSocketChannel中。

其次步,发起连接操作,判断连接结果,代码如下:

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图2-14
连接操作

认清连接结果,如果没有连接成功,则监听连接互连网操作位SelectionKey.OP_CONNECT。如若总是成功,则调用pipeline().fireChannelActive()将监听位修改为READ。

其三步,由Nio伊芙ntLoop的多路复用器轮询连接操作结果,代码如下:

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图2-15
Selector发起轮询操作

认清连接结果,假使或一连成功,重新设置监听位为READ:

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图2-16
判断连接操作结果

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图2-17
设置操作位为READ

第五步,由Nio伊夫ntLoop线程负责I/O读写,同服务端。

总结:客户端创设,线程模型如下:

  1. 由用户线程负责初步化客户端财富,发起连接操作;

  2. 倘使总是成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊夫ntLoop线程中,监听读操作位;

  3. 假定没有即刻连接成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊芙ntLoop线程中,监听连接操作位;

  4. 延续成功今后,修改监听位为READ,然则不供给切换线程。

2.1.1. 服务端线程模型

一种比较盛行的做法是服务端监听线程和IO线程分离,类似于Reactor的二十四线程模型,它的办事原理图如下:

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图2-1 Netty服务端线程工作流程

上面我们结合Netty的源码,对服务端创设线程工作流程展开介绍:

率先步,从用户线程发起创造服务端操作,代码如下:

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图2-2 用户线程创造服务端代码示例

常备情状下,服务端的创办是在用户进度运维的时候举办,由此一般由Main函数或许运维类负责成立,服务端的成立由业务线程负责完成。在开立服务端的时候实例化了1个伊芙ntLoopGroup,2个伊芙ntLoopGroup实际正是2个伊芙ntLoop线程组,负责管理伊芙ntLoop的提请和假释。

伊夫ntLoopGroup管理的线程数能够透过构造函数设置,假使没有安装,默许取-Dio.netty.eventLoopThreads,假使该连串参数也不曾点名,则为可用的CPU内核数
× 2。

bossGroup线程组实际正是Acceptor线程池,负责处理客户端的TCP连接请求,假使系统只有3个劳动端端口供给监听,则建议bossGroup线程组线程数设置为1。

workerGroup是真正负担I/O读写操作的线程组,通过ServerBootstrap的group方法开始展览设置,用于后续的Channel绑定。

第壹步,Acceptor线程绑定监听端口,运转NIO服务端,相关代码如下:

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图2-3 从bossGroup中挑选一个Acceptor线程监听服务端

内部,group()再次来到的就是bossGroup,它的next方法用于从线程组中拿走可用线程,代码如下:

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图2-4 选择Acceptor线程

劳动端Channel创造达成之后,将其注册到多路复用器Selector上,用于收纳客户端的TCP连接,主题代码如下:

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图2-5 注册ServerSocketChannel 到Selector

其三步,假如监听到客户端连接,则创设客户端SocketChannel连接,重新登记到workerGroup的IO线程上。首先看Acceptor怎样处理客户端的交接:

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图2-6 处理读大概一连事件

调用unsafe的read()方法,对于NioServerSocketChannel,它调用了NioMessageUnsafe的read()方法,代码如下:

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图2-7 NioServerSocketChannel的read()方法

最终它会调用NioServerSocketChannel的doReadMessages方法,代码如下:

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图2-8 成立客户端连接SocketChannel

其间child伊芙ntLoopGroup就是前边的workerGroup,
从中选用三个I/O线程负责互联网消息的读写。

第6步,接纳IO线程之后,将SocketChannel注册到多路复用器上,监听READ操作。

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图2-9 监听网络读事件

第⑥步,处理网络的I/O读写事件,大旨代码如下:

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图2-10 处理读写事件

2.2. Reactor线程NioEventLoop

2.1.2. 客户端线程模型

相对而言于服务端,客户端的线程模型不难一些,它的干活规律如下:

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图2-11 Netty客户端线程模型

第1步,由用户线程发起客户端连接,示例代码如下:

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图2-12 Netty客户端创设代码示例

世家发现比照于服务端,客户端只须要成立二个伊夫ntLoopGroup,因为它不供给独自的线程去监听客户端连接,也没要求通过二个独立的客户端线程去老是服务端。Netty是异步事件驱动的NIO框架,它的连年和富有IO操作都是异步的,因而不须求创立单独的接连线程。相关代码如下:

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图2-13 绑定客户端连接线程

近来的group()就是事先传出的伊芙ntLoopGroup,从中得到可用的IO线程伊芙ntLoop,然后作为参数设置到新创制的NioSocketChannel中。

其次步,发起连接操作,判断连接结果,代码如下:

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图2-14 连接操作

认清连接结果,假若没有连接成功,则监听连接互连网操作位SelectionKey.OP_CONNECT。假诺老是成功,则调用pipeline().fireChannelActive()将监听位修改为READ。

其三步,由Nio伊夫ntLoop的多路复用器轮询连接操作结果,代码如下:

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图2-15 Selector发起轮询操作

判定连接结果,如若或延续成功,重新安装监听位为READ:

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图2-16 判断连接操作结果

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图2-17 设置操作位为READ

第6步,由Nio伊芙ntLoop线程负责I/O读写,同服务端。

小结:客户端成立,线程模型如下:

  1. 由用户线程负责开端化客户端能源,发起连接操作;

  2. 倘诺接二连三成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊夫ntLoop线程中,监听读操作位;

  3. 万一没有即刻连接成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊芙ntLoop线程中,监听连接操作位;

  4. 连天成功之后,修改监听位为READ,可是不须求切换线程。

2.2.1. NioEventLoop介绍

Nio伊芙ntLoop是Netty的Reactor线程,它的职责如下:

  1. 作为劳动端Acceptor线程,负责处理客户端的乞请接入;

  2. 用作客户端Connecor线程,负责登记监听连接操作位,用于判断异步连接结果;

  3. 作为IO线程,监听网络读操作位,负责从SocketChannel中读取报文;

  4. 作为IO线程,负责向SocketChannel写入报文发送给对方,假设产生写半包,会自动注册监听写事件,用于后续继续发送半包数据,直到数据总体出殡和埋葬达成;

  5. 用作定时任务线程,能够推行定时职务,例如链路空闲检查和测试和出殡和埋葬心跳音信等;

  6. 用作线程执行器能够推行日常的职责线程(Runnable)。

在服务端和客户端线程模型章节我们早已详细介绍了Nio伊夫ntLoop怎么着处理网络IO事件,上边大家大致看下它是怎么着处理定时职分和推行经常的Runnable的。

首先Nio伊夫ntLoop继承SingleThread伊夫ntExecutor,那就表示它事实上是3个线程个数为1的线程池,类继承关系如下所示:

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图2-18
Nio伊芙ntLoop继承关系

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图2-19
线程池和天职队列定义

对于用户而言,直接调用Nio伊芙ntLoop的execute(Runnable
task)方法即可实施自定义的Task,代码落成如下:

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图2-20
执行用户自定义Task

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图2-21
NioEventLoop实现ScheduledExecutorService

由此调用SingleThread伊夫ntExecutor的schedule种类措施,可以在Nio伊芙ntLoop中进行Netty恐怕用户自定义的定时职务,接口定义如下:

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图2-22
Nio伊夫ntLoop的定时任务履行接口定义

2.2. Reactor线程NioEventLoop

2.3. Nio伊夫ntLoop设计原理

2.2.1. NioEventLoop介绍

Nio伊夫ntLoop是Netty的Reactor线程,它的天职如下:

  1. 作为服务端Acceptor线程,负责处理客户端的请求接入;

  2. 作为客户端Connecor线程,负责登记监听连接操作位,用于判断异步连接结果;

  3. 用作IO线程,监听网络读操作位,负责从SocketChannel中读取报文;

  4. 作为IO线程,负责向SocketChannel写入报文发送给对方,借使爆发写半包,会活动注册监听写事件,用于后续继续发送半包数据,直到数据总体发送实现;

  5. 用作定时职分线程,能够执行定时任务,例如链路空闲检查和测试和发送心跳音讯等;

  6. 用作线程执行器能够实行平常的职务线程(Runnable)。

在服务端和客户端线程模型章节大家曾经详尽介绍了Nio伊夫ntLoop如何处理互连网IO事件,下边我们大约看下它是怎么样处理定时职责和实施日常的Runnable的。

率先Nio伊夫ntLoop继承SingleThread伊芙ntExecutor,那就象征它实质上是3个线程个数为1的线程池,类继承关系如下所示:

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图2-18 Nio伊夫ntLoop继承关系

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图2-19 线程池和职分队列定义

对于用户而言,直接调用Nio伊芙ntLoop的execute(Runnable
task)方法即可举行自定义的Task,代码达成如下:

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图2-20 执行用户自定义Task

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图2-21 NioEventLoop实现ScheduledExecutorService

由此调用SingleThread伊夫ntExecutor的schedule体系措施,能够在Nio伊芙ntLoop中推行Netty大概用户自定义的定时职务,接口定义如下:

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图2-22 Nio伊芙ntLoop的定时任务履行接口定义

2.3.1. 串行化设计幸免线程竞争

咱俩精晓当系统在运维进度中,要是频仍的拓展线程上下文切换,会带来额外的性质损耗。八线程并发执行某些业务流程,业务开发者还必要时刻对线程安全保持警惕,哪些数据或然会被冒出修改,怎么着维护?那不仅下落了开发效用,也会带来特出的性质损耗。

串行执行Handler链

为了消除上述难题,Netty选取了串行化设计意见,从音讯的读取、编码以及继续Handler的履行,始终都由IO线程Nio伊夫ntLoop负责,那就意外着整个流程不会开始展览线程上下文的切换,数据也不见面临被冒出修改的危害,对于用户而言,甚至不须要驾驭Netty的线程细节,那着实是个越发好的安顿意见,它的行事原理图如下:

 

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图2-23
Nio伊夫ntLoop串行执行ChannelHandler

三个Nio伊芙ntLoop聚合了二个多路复用器Selector,由此得以处理成百上千的客户端连接,Netty的拍卖政策是每当有1个新的客户端连着,则从Nio伊芙ntLoop线程组中逐条获取二个可用的Nio伊夫ntLoop,当到达数组上限之后,重新归来到0,通过那种办法,可以着力保障各个Nio伊夫ntLoop的载荷均衡。二个客户端连接只登记到2个Nio伊芙ntLoop上,那样就幸免了多少个IO线程去并发操作它。

Netty通过串行化设计意见下落了用户的花费难度,提高了处理质量。利用线程组完结了多个串行化线程水平并行执行,线程之间并没有交集,那样既能够丰硕利用多核升级并行处理能力,同时制止了线程上下文的切换和现身珍贵带来的附加质量损耗。

2.3. Nio伊夫ntLoop设计原理

2.3.2. 定时任务与时间轮算法

在Netty中,有众多作用正视定时职责,相比较出色的有三种:

  1. 客户端连接超时间控制制;

  2. 链路空闲检查和测试。

一种比较常用的布置性意见是在Nio伊芙ntLoop中聚合JDK的定时职责线程池ScheduledExecutorService,通过它来实行定时职务。那样做只是从性质角度看不是最优,原因有如下三点:

  1. 在IO线程中聚合了二个独立的定时职责线程池,那样在处理进度中会存在线程上下文切换难题,那就打破了Netty的串行化设计意见;

  2. 留存八线程并发操作难点,因为定时职务Task和IO线程Nio伊芙ntLoop只怕同时做客并修改同一份数据;

  3. JDK的ScheduledExecutorService从品质角度看,存在质量优化空间。

最早面临上述难点的是操作系统和协议栈,例如TCP协议栈,其保险传输注重超时重传机制,由此各个通过TCP传输的
packet 都亟需1个 timer来调度 timeout
事件。那类超时可能是海量的,固然为各类超时都成立二个定时器,从品质和能源消耗角度看都以不客观的。

基于格奥尔格e
Varghese和托尼 Lauck 1996年的故事集《Hashed and Hierarchical Timing
Wheels: data structures to efficiently implement a timer
facility》建议了一种定时轮的点子来管理和保险多量的timer调度。Netty的定时职责调度就是基于时间轮算法调度,上面我们一道来看下Netty的贯彻。

定时轮是一种数据结构,其主旨是贰个循环列表,各种列表中带有一个称之为slot的构造,它的法则图如下:

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图2-24
时间轮工作原理

定时轮的劳作规律能够类比于时钟,如上海体育场地箭头(指针)按某贰个趋势按一定频率轮动,每二次跳动称为二个tick。这样能够看出定时轮由个贰个重庆大学的属性参数:ticksPerWheel(一轮的tick数),tickDuration(3个tick的持续时间)以及
timeUnit(时间单位),例如当ticksPerWheel=60,tickDuration=1,timeUnit=秒,那就和时钟的秒针走动完全类似了。

上面我们具体分析下Netty的兑现:时间轮的举行由Nio伊芙ntLoop来复杂检查和测试,首先看职务队列中是还是不是有逾期的定时任务和平时任务,假若有则遵照比例循环执行这么些职务,代码如下:

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图2-25
执行任务队列

比方没有索要掌握执行的天职,则调用Selector的select方法实行等待,等待的日子为定时任务队列中首先个超时的定时任务时延,代码如下:

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图2-26
总计时延

从定时职责Task队列中弹出delay最小的Task,总结超时时间,代码如下:

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图2-27
从定时职分队列中获取超时时间

定时职责的推行:经过周期tick之后,扫描定时职分列表,将过期的定时职分移除到平凡职务队列中,等待执行,相关代码如下:

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图2-28
检查和测试超时的定时职责

检查和测试和拷贝任务成功之后,就进行超时的定时职责,代码如下:

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图2-29
执行定时职责

为了保障定时任务的实施不会因为过于挤占IO事件的拍卖,Netty提供了IO执行比例供用户设置,用户能够安装分配给IO的执行比例,幸免因为海量定时职务的施行导致IO处理超时恐怕积压。

因为获取系统的微秒时间是件耗费时间的操作,所以Netty每执行6三个定时职务检查和测试3回是或不是达到执行的上限时间,达到则脱离。假诺没有进行完,放到下次Selector轮询时再处理,给IO事件的拍卖提供机会,代码如下:

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图2-30
执行时间上限检查和测试

2.3.1. 串行化设计防止线程竞争

我们领略当系统在运营进度中,要是反复的展开线程上下文切换,会带来12分的品质损耗。十二线程并发执行有个别业务流程,业务开发者还须求时刻对线程安全保持警惕,哪些数据或许会被冒出修改,怎么样维护?那不仅仅下降了支付作用,也会推动卓殊的质量损耗。

串行执行Handler链

为了消除上述难点,Netty选用了串行化设计理念,从新闻的读取、编码以及继续Handler的施行,始终都由IO线程Nio伊芙ntLoop承担,这就奇怪着全套流程不会开始展览线程上下文的切换,数据也不见面临被冒出修改的危机,对于用户而言,甚至不须要精晓Netty的线程细节,那实在是个尤其好的统一筹划理念,它的做事原理图如下:

 

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图2-23 Nio伊夫ntLoop串行执行ChannelHandler

3个Nio伊芙ntLoop聚合了一个多路复用器Selector,因而得以处理成都百货上千的客户端连接,Netty的拍卖政策是每当有贰个新的客户端连着,则从Nio伊芙ntLoop线程组中相继获取三个可用的Nio伊芙ntLoop,当到达数组上限之后,重新归来到0,通过那种措施,能够基本保障各类Nio伊夫ntLoop的载重均衡。八个客户端连接只登记到一个Nio伊芙ntLoop上,那样就幸免了几个IO线程去并发操作它。

Netty通过串行化设计意见降低了用户的付出难度,提高了处理品质。利用线程组完成了多少个串行化线程水平并行执行,线程之间并从未交集,这样既能够足够利用多核升级并行处理能力,同时制止了线程上下文的切换和产出怜惜带来的附加品质损耗。

2.3.3. 聚焦而不是膨胀

Netty是个异步高质量的NIO框架,它并不是个事情运转容器,因而它不须求也不该提供业务容器和事情线程。合理的设计格局是Netty只负责提供和治本NIO线程,别的的作业层线程模型由用户本身集成,Netty不应该提供此类功能,只要将分层划分清楚,就会更便利用户集成和扩大。

令人遗憾的是在Netty
3种类版本中,Netty提供了就像是米纳异步Filter的ExecutionHandler,它聚合了JDK的线程池java.util.concurrent.Executor,用户异步执行后续的Handler。

ExecutionHandler是为了化解一部分用户Handler恐怕存在执行时间不明确而招致IO线程被意外阻塞大概挂住,从需求合理性角度分析那类需要自个儿是合情的,可是Netty提供该意义却并不妥当。原因总计如下:

1.
它打破了Netty坚定不移的串行化设计理念,在音讯的接纳和处理进度中发出了线程切换并引入新的线程池,打破了自作者架构听从的布署条件,实际是一种架构迁就;

2.
隐衷的线程并发安全难点,假设异步Handler也操作它前面的用户Handler,而用户Handler又尚未开始展览线程安全维护,这就会造成隐蔽和沉重的线程安全题材;

3.
用户支出的扑朔迷离,引入ExecutionHandler,打破了本来的ChannelPipeline串行执行格局,用户必要精通Netty底层的兑现细节,关怀线程安全等题材,那会促成进寸退尺。

是因为上述原因,Netty的继续版本彻底删除了ExecutionHandler,而且也从未提供类似的连锁作用类,把精力聚焦在Netty的IO线程Nio伊芙ntLoop上,那的确是一种伟大的腾飞,Netty重新开端聚焦在IO线程本人,而不是提供用户相关的事情线程模型。

2.3.2. 定时任务与时光轮算法

在Netty中,有无数成效注重定时职分,相比出色的有三种:

  1. 客户端连接超时控制;

  2. 链路空闲检查和测试。

一种比较常用的筹划意见是在Nio伊芙ntLoop中聚合JDK的定时职务线程池ScheduledExecutorService,通过它来执行定时职分。那样做单独从性质角度看不是最优,原因有如下三点:

  1. 在IO线程中集聚了一个单身的定时职务线程池,那样在处理进程中会存在线程上下文切换难点,那就打破了Netty的串行化设计意见;

  2. 留存三十二线程并发操作难题,因为定时义务Task和IO线程NioEventLoop只怕还要做客并修改同一份数据;

  3. JDK的ScheduledExecutorService从性质角度看,存在品质优化空间。

最早面临上述难题的是操作系统和协议栈,例如TCP协议栈,其保证传输依赖超时重传机制,因而各样通过TCP传输的
packet 都亟需一个 timer来调度 timeout
事件。那类超时也许是海量的,就算为各样超时都创立3个定时器,从品质和能源消耗角度看都以不客观的。

根据格奥尔格e Varghese和托尼 Lauck 1997年的舆论《Hashed and Hierarchical
Timing Wheels: data structures to efficiently implement a timer
facility》建议了一种定时轮的不二法门来管理和维护大批量的timer调度。Netty的定时职责调度便是依据时间轮算法调度,下边我们共同来看下Netty的兑现。

定时轮是一种数据结构,其主导是3个循环列表,每种列表中富含二个称之为slot的布局,它的法则图如下:

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图2-24 时间轮工作规律

定时轮的办事原理能够类比于时钟,如上海体育地方箭头(指针)按某三个主旋律按一定频率轮动,每1次跳动称为八个tick。那样能够见到定时轮由个一个关键的习性参数:ticksPerWheel(一轮的tick数),tickDuration(四个tick的持续时间)以及
timeUnit(时间单位),例如当ticksPerWheel=60,tickDuration=1,timeUnit=秒,那就和时钟的秒针走动完全类似了。

上边大家具体分析下Netty的落实:时间轮的施行由Nio伊芙ntLoop来复杂检查和测试,首先看职责队列中是还是不是有逾期的定时职分和一般性职责,假诺有则依据比例循环执行那几个职务,代码如下:

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图2-25 执行职务队列

一经没有索要领悟执行的职责,则调用Selector的select方法开始展览等待,等待的小运为定时任务队列中率先个超时的定时职分时延,代码如下:

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图2-26 计算时延

从定时职分Task队列中弹出delay最小的Task,总计超时时间,代码如下:

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图2-27 从定时职分队列中拿走超时时间

定时职分的实施:经过周期tick之后,扫描定时职责列表,将过期的定时职责移除到平日职责队列中,等待执行,相关代码如下:

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图2-28 检查和测试超时的定时职务

检查和测试和拷贝职责成功以往,就执行超时的定时任务,代码如下:

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图2-29 执行定时职务

为了确温州时职责的履行不会因为过分挤占IO事件的处理,Netty提供了IO执行比例供用户安装,用户能够设置分配给IO的实践比例,幸免因为海量定时职责的举办导致IO处理超时或然积压。

因为获取系统的阿秒时间是件耗费时间的操作,所以Netty每执行陆十几个定时职责检查和测试一遍是否达到规定的标准执行的上限时间,达到则脱离。即使没有执行完,放到下次Selector轮询时再处理,给IO事件的拍卖提供机会,代码如下:

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图2-30 执行时间上限检查和测试

2.4. Netty线程开发最佳实践

2.3.3. 聚焦而不是膨胀

Netty是个异步高质量的NIO框架,它并不是个工作运转容器,由此它不需要也不该提供业务容器和业务线程。合理的设计形式是Netty只担负提供和管制NIO线程,别的的事务层线程模型由用户自身集成,Netty不应有提供此类效用,只要将分层划分清楚,就会更利于用户集成和扩大。

令人遗憾的是在Netty
3连串版本中,Netty提供了类似Mina异步Filter的ExecutionHandler,它聚合了JDK的线程池java.util.concurrent.Executor,用户异步执行后续的Handler。

ExecutionHandler是为着缓解一些用户Handler大概存在实施时间不分明而导致IO线程被意外阻塞可能挂住,从供给合理性角度解析那类须求本身是在理的,可是Netty提供该功用却并不正好。原因计算如下:

1.
它打破了Netty持之以恒的串行化设计理念,在音信的接受和处理进程中发出了线程切换并引入新的线程池,打破了自笔者架构听从的规划规范,实际是一种框架结构迁就;

2.
神秘的线程并发安全题材,若是异步Handler也操作它前面的用户Handler,而用户Handler又尚未展开线程安全珍重,那就会导致隐蔽和沉重的线程安全难点;

3.
用户支付的复杂,引入ExecutionHandler,打破了本来的ChannelPipeline串行执行方式,用户供给精晓Netty底层的兑现细节,关注线程安全等难点,那会促成寸进尺退。

鉴于上述原因,Netty的继续版本彻底剔除了ExecutionHandler,而且也从未提供类似的连带功效类,把精力聚焦在Netty的IO线程Nio伊芙ntLoop上,那确实是一种巨大的升华,Netty重新开头聚焦在IO线程自己,而不是提供用户相关的作业线程模型。

2.4.1. 岁月可控的归纳业务一贯在IO线程上拍卖

固然工作相当简单,执行时间特别短,不供给与外部网元交互、访问数据库和磁盘,不须要等待其余财富,则建议直接在业务ChannelHandler中实行,不须要再启业务的线程或许线程池。防止线程上下文切换,也不设有线程并发难点。

2.4. Netty线程开发最佳实践

2.4.2. 繁杂和时间不可控业务提出投递到后端业务线程池统一处理

对此此类工作,不提议直接在工作ChannelHandler中运维线程恐怕线程池处理,提出将分裂的事务合并封装成Task,统一投递到后端的业务线程池中实行拍卖。

过多的作业ChannelHandler会带来开发功能和可维护性难点,不要把Netty当作业务容器,对于绝大多数繁杂的事体产品,依旧供给集成或许支付协调的政工容器,做好和Netty的架构分层。

2.4.1. 时间可控的简练业务一直在IO线程上拍卖

固然工作格外简单,执行时间不够长,不要求与表面网元交互、访问数据库和磁盘,不要求拭目以俟其余财富,则建议直接在事情ChannelHandler中实践,不须求再启业务的线程大概线程池。幸免线程上下文切换,也不设有线程并发难点。

2.4.3. 政工线程制止直接操作ChannelHandler

对于ChannelHandler,IO线程和事情线程都恐怕会操作,因为事情平时是四线程模型,那样就会存在多线程操作ChannelHandler。为了尽量制止多线程并发难题,提议依据Netty自个儿的做法,通过将操作封装成独立的Task由Nio伊芙ntLoop统一实施,而不是工作线程直接操作,相关代码如下所示:

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图2-31
封装成Task幸免二十四线程并发操作

若果您承认并发访问的数目依然出现操作是安全的,则无需多此一举,这么些须求根据现实的事务场景实行判断,灵活处理。

2.4.2. 繁杂和岁月不可控业务提出投递到后端业务线程池统一处理

对此此类工作,不建议直接在业务ChannelHandler中运行线程或然线程池处理,建议将不一致的政工合并封装成Task,统一投递到后端的业务线程池中举行处理。

过多的事体ChannelHandler会带来开发功效和可维护性问题,不要把Netty当作业务容器,对于绝超越5/10繁杂的工作产品,照旧须要集成大概支付协调的作业容器,做好和Netty的架构分层。

3. 总结

固然Netty的线程模型并不复杂,不过怎么客观选拔Netty开发出高质量、高并发的业务产品,还是是个有挑衅的干活。只有丰硕知晓了Netty的线程模型和布署原理,才能支付出高质量的制品。

2.4.3. 事务线程制止直接操作ChannelHandler

对于ChannelHandler,IO线程和作业线程都恐怕会操作,因为事情经常是多线程模型,那样就会存在二十多线程操作ChannelHandler。为了尽量制止八线程并发难题,建议依据Netty本人的做法,通过将操作封装成独立的Task由Nio伊夫ntLoop统一进行,而不是业务线程直接操作,相关代码如下所示:

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图2-31 封装成Task防止多线程并发操作

假使您确认并发访问的多寡可能出现操作是平安的,则无需小题大作,那么些需求基于具体的工作场景进行判断,灵活处理。

4. Netty学习推荐书籍

当前市面上介绍netty的稿子很多,假设读者希望系统性的上学Netty,推荐两本书:

1) 《Netty
in Action》,提议阅读英文原版。

2)
《Netty权威指南》,提出通过理论联系实际措施学习。

3. 总结

就算Netty的线程模型并不复杂,然则什么客观使用Netty开发出高品质、高并发的思想政治工作业生产品,照旧是个有挑衅的办事。唯有充裕掌握了Netty的线程模型和设计原理,才能开发出高品质的出品。

4. Netty学习推荐书籍

现阶段市面上介绍netty的文章很多,若是读者愿意系统性的上学Netty,推荐两本书:

1) 《Netty in Action》,建议阅读英文原版。

2) 《Netty权威指南》,提出通过理论联系实际方农学习。

5. 笔者简介

崔洁锋,二零零七年毕业于东北大学,2010年进来Samsung公司致力高质量通信软件的安顿和付出工作,有6年NIO设计和开发经历,通晓Netty、米纳等NIO框架,Netty中华夏族民共和国社区开山和Netty框架推广者。

微信公众号:it_haha

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原文:http://www.infoq.com/cn/articles/netty-threading-model?utm\_source=infoq&utm\_campaign=user\_page&utm\_medium=link

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