前言

上文《Netty 编程看上去懵懵的…》通过比较 Java NIO 和 Netty 的工作流程，并结合 Netty 的源码，可以更加清晰地理解Netty。本文将结合源码详细解析Netty的高效和强大功能的设计原理，学习 Netty 是如何实现其卓越的性能和功能特性，也希望可以在日后工作中利用到 Netty 的设计思想。

Netty 解决的问题

我们先看看使用 Netty 在网络编程中帮助我们解决了什么问题。

简化网络编程

首先，基于 Netty 初次编码的直观体验来讲，开发者不用手动处理网络通信细节，包括线程管理、I/O 处理、协议解析等，可以专注于业务逻辑的实现。也正是因为如此，在学习 Netty 时比较抽象难懂。

如下图，可以看到 Java NIO 的代码大概有 80 行，而且还没有实现 HTTP 协议，并且还是单线程，没有复杂的线程管理，更不用说性能什么的。

而 Netty 实现的代码只有 30 多行，其中的差别一目了然。

粘包和拆包

我们一般说粘包和拆包都是说 TCP 协议的问题，因为当用户消息通过 UDP 协议传输时，操作系统不会对消息进行拆分，所以发送出去的一条 UDP 报文就是完整的用户消息，也就是每个 UDP 报文就是用户消息的边界。

而当用户消息通过 TCP 协议传输时，消息可能会被操作系统分组成多个的 TCP 报文进行传输，这个时候接收方收到多个报文后，由于不知道消息的边界，也就无法读出一个完整的消息。

举个例子，当发送方准备发送「Hi」和「I am Erdan」这两个消息，由于MTU限制、缓冲区的大小等条件，可能会出现几种情况：

第一种情况，两条消息分到一个报文中，像这样：第二种情况，「I am Erdan」中的部分消息随「Hi」被分到一个报文中，像这样：还可能会有第三、四…种情况。

当接收方接收到第一种情况时我们称之为粘包，第二种情况称之为拆包。

上面的种种情况表明，一个用户消息不能对应一个 TCP 报文，正因为这样，所以 TCP 是面向字节流的协议。

粘包和拆包解决手段

解决粘包和拆包的根本手段就是找出消息的边界，有几种方式：

固定消息长度，这种方式灵活性不高，实际中很少用。
特殊字符作为边界，HTTP 是一个非常好的例子，通过设置回车符、换行符作为 HTTP 报文协议的边界。
自定义消息结构：消息头消息体，可以自定义一个消息结构，由包头和数据组成，其中包头包是固定大小的，而且包头里有一个字段来说明紧随其后的数据有多大。

Netty的编解码器

Netty 提供了固定长度解码器（FixedLengthFrameDecoder）、行分隔符解码器（LineBasedFrameDecoder）、分隔符解码器（DelimiterBasedFrameDecoder）、基于长度字段的解码器（LengthFieldBasedFrameDecoder）几种方式来解决粘包问题，可以结合 Netty 的 ChannelPipeline 来使用。

除此之外 Netty 也提供了 HTTP、WebSocket、TCP、UDP几种协议的编解码器，这也是 Netty 灵活扩展强大之处。

高性能的设计

Netty 除了帮助开发人员解决了一些问题，还提高了网络编程性能，体现如下

多线程调度

在网络编程中如果使用单线程来处理，即便是IO多路复用，吞吐和性能也是会有局限的。

而 Netty 中通过 EventLoopGroup 管理线程池，每个线程就是一个 EventLoop。EventLoop 内部有一个 Selector 负责处理一个或多个 Channel 的注册、读写和其他事件。

所以 Netty 通过 EventLoopGroup、EventLoop 和 Selector 的配合工作，实现了高效的并发处理能力。

线程安全保障

既然是多线程处理，肯定要去考虑线程安全以确保程序的正确性。

Netty 是如何保障线程安全的？

Netty 通过使用管道（ChannelPipeline）和处理器（ChannelHandler）的方式来实现数据的处理和流转。而 ChannelHandler 会被分配给一个 EventLoop 处理， EventLoop 内部的数据结构和状态都是线程封闭的，不会被其他线程访问或修改。

所以 Netty 通过合理地设计组件之间的关系，通过单线程执行、无锁设计等方式保证了在高并发情况下的线程安全性。

零拷贝

在传统的网络编程中，数据在进行网络传输之前需要从应用层缓冲区复制到操作系统内核的缓冲区，然后再从内核的缓冲区复制到网络设备的缓冲区。这种复制操作会增加 CPU 的负载和内存的开销，如下图

而 Netty 利用零拷贝技术来减少数据复制的次数，提高了数据传输的效率。

零拷贝将数据从内核空间直接传输到网络适配器，避免了数据在内核空间和用户空间之间的复制，从而减少了CPU的负担。如下图

Netty的零拷贝体现在以下几个方面：

零拷贝文件传输：Netty 的 FileRegion 接口提供了直接在文件系统和网络之间传输数据的功能。通过使用零拷贝技术，数据可以直接从磁盘读取并发送到网络设备，避免了中间的缓冲区拷贝，提高了文件传输的性能。
零拷贝内存传输：Netty 的 ByteBuf 类型支持零拷贝的内存传输。当数据在应用程序和内核之间传输时，Netty 使用直接内存缓冲区（Direct ByteBuffer）来避免额外的数据拷贝操作，提高了内存传输的效率。

通过以上方式，Netty 实现了零拷贝技术在网络编程中的应用，提高了数据传输的效率和性能。这使得 Netty 在处理大量数据传输和高并发场景下具有更好的性能表现。

总结

总的来说，Netty 不论在功能、性能以及稳定性来讲都是一款很nice的网络编程框架，很多知名的项目都将 Netty 作为其网络通信的底层框架，比如Apache Kafka、ElasticSearch、gRPC、Dubbo等。熟悉这些框架的开发者通常都具备高并发开发经验，并且掌握 Netty 是理解这些框架的重要基础之一。