Netty-Mina深入学习与对比(一)

感谢支付宝同事[易鸿伟]在本站发布此文。

这博文的系列主要是为了更好的了解一个完整的nio框架的编程细节以及演进过程,我选了同父(Trustin Lee)的两个框架netty与mina做对比。版本涉及了netty3.x、netty4.x、mina1.x、mina2.x、mina3.x。这里并没有写netty5.x的细节,看了netty5的修改文档,似乎有一些比较有意思的改动,准备单独写一篇netty4.x与netty5.x的不同。

netty从twitter发布的这篇《Netty 4 at Twitter: Reduced GC Overhead》文章让国内Java界为之一振,也小火了一把,同时netty的社区发展也不错,版本迭代非常快,半年不关注大、小版本就发了好几轮了。但是mina就有点淡了,github上面它最后大多数代码最后的修改日期均在2013年,不过我从个人情感上还是挺喜欢mina3的代码,没有太多的用不上的功能(支持各种协议啥的),跑自带的benchmark性能也比netty4好一些。但是如果是生产用的话,就偏向netty多一些了,毕竟社区活跃,版本迭代也快。

1. mina、netty的线程模型

mina与netty都是Trustin Lee的作品,所以在很多方面都十分相似,他们线程模型也是基本一致,采用了Reactors in threads模型,即Main Reactor + Sub Reactors的模式。由main reactor处理连接相关的任务:accept、connect等,当连接处理完毕并建立一个socket连接(称之为session)后,给每个session分配一个sub reactor,之后该session的所有IO、业务逻辑处理均交给了该sub reactor。每个reactor均是一个线程,sub reactor中只靠内核调度,没有任何通信且互不打扰。

在我自己的博客里面[Netty 4.x学习笔记 – 线程模型]也对netty的线程模型有一定的介绍。现在来讲讲我对线程模型演进的一些理解:

  • Thread per Connection: 在没有nio之前,这是传统的java网络编程方案所采用的线程模型。即有一个主循环,socket.accept阻塞等待,当建立连接后,创建新的线程/从线程池中取一个,把该socket连接交由新线程全权处理。这种方案优缺点都很明显,优点即实现简单,缺点则是方案的伸缩性受到线程数的限制。
  • Reactor in Single Thread: 有了nio后,可以采用IO多路复用机制了。我们抽取出一个单线程版的reactor模型,时序图见下文,该方案只有一个线程,所有的socket连接均注册在了该reactor上,由一个线程全权负责所有的任务。它实现简单,且不受线程数的限制。这种方案受限于使用场景,仅适合于IO密集的应用,不太适合CPU密集的应用,且适合于CPU资源紧张的应用上。

reactor-single-thread

  • Reactor + Thread Pool: 方案2由于受限于使用场景,但为了可以更充分的使用CPU资源,抽取出一个逻辑处理线程池。reactor仅负责IO任务,线程池负责所有其它逻辑的处理。虽然该方案可以充分利用CPU资源,但是这个方案多了进出thread pool的两次上下文切换。

reactor-thread-pool

  • Reactors in threads: 基于方案3缺点的考虑,将reactor分成两个部分。main reactor负责连接任务(accept、connect等),sub reactor负责IO、逻辑任务,即mina与netty的线程模型。该方案适应性十分强,可以调整sub reactor的数量适应CPU资源紧张的应用;同时CPU密集型任务时,又可以在业务处理逻辑中将任务交由线程池处理,如方案5。该方案有一个不太明显的缺点,即session没有分优先级,所有session平等对待均分到所有的线程中,这样可能会导致优先级低耗资源的session堵塞高优先级的session,但似乎netty与mina并没有针对这个做优化。

reactors in threads

  • Reactors in threads + Threads pool: 这也是我所在公司应用框架采用的模型,可以更为灵活的适应所有的应用场景:调整reactor数量、调整thread pool大小等。

reactors-in-threads-thread-pool

以上图片及总结参考:《Linux多线程服务端编程》

 

2. mina、netty的任务调度粒度

mina、netty在线程模型上并没有太大的差异性,主要的差异还是在任务调度的粒度的不同。任务从逻辑上我给它分为成三种类型:连接相关的任务(bind、connect等)、写任务(write、flush)、调度任务(延迟、定时等),读任务则由selector加循环时间控制了。mina、netty任务调度的趋势是逐渐变小,从session级别的调度 -> 类型级别任务的调度 -> 任务的调度。

代码

  • mina-1.1.7: SocketIoProcessor$Worker.run
  • mina-2.0.4: AbstractPollingIoProcessor$Processor.run
  • mina-3.0.0.M3-SNAPSHOT: AbstractNioSession.processWrite
  • netty-3.5.8.Final: AbstractNioSelector.run
  • netty-4.0.6.Final: NioEventLoop.run

分析

mina1、2的任务调度粒度为session。mina会将有IO任务的的session写入队列中,当循环执行任务时,则会轮询所有的session,并依次把session中的所有任务取出来运行。这样粗粒度的调度是不公平调度,会导致某些请求的延迟很高。

mina3的模型改动比较大,代码相对就比较难看了,我仅是随便扫了一下,它仅提炼出了writeQueue。

而netty3的调度粒度则是按照IO操作,分成了registerTaskQueue、writeTaskQueue、eventQueue三个队列,当有IO任务时,依次processRegisterTaskQueue、processEventQueue、processWriteTaskQueue、processSelectedKeys(selector.selectedKeys)。

netty4可能觉得netty3的粒度还是比较粗,将队列细分成了taskQueue和delayedTaskQueue,所有的任务均放在taskQueue中,delayedTaskQueue则是定时调度任务,且netty4可以灵活配置task与selectedKey处理的时间比例。

BTW: netty3.6.0之后,所有的队列均合并成了一个taskQueue

有意思的是,netty4会优先处理selectedKeys,然后再处理任务,netty3则相反。mina1、2则是先处理新建的session,再处理selectedKeys,再处理任务。

难道selectedKeys处理顺序有讲究么?

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易鸿伟

支付宝中间件研发工程师,现专注于分布式系统、网络编程领域。 (Blog: 小e的分享,Weibo: 小e_鸿伟

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  • Comments (6)
    • 劳希
    • 08/26. 2014 9:41am

    几幅图把线程模型解释得很清楚

    • 云淡风轻
    • 03/31. 2015 5:38pm

    写的很具体

    • zhyang530
    • 01/20. 2016 1:58pm

    文章的配图都丢失了,能重新上传回来不

    • xuguowei1025
    • 02/05. 2016 11:48am

    配图丢失,请上传

    • Sevenwow
    • 04/20. 2016 5:44pm

    再强调一下,配图丢失,希望作者上传,谢谢咯~

    • 我尝试改了下,发现修改不了。您可以看我的原文:http://yihongwei.com/2014/05/netty-mina-in-depth-1/

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