Netty常见面试题

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前言

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。所以在常见的面试中总是会被问到其中的一二，因此在下面总结一些常见的Netty面试题目。

1.NIO、BIO、AIO 三者间的区别是什么？

NIO(Non-blocking I/O New I/O) ：同步非阻塞IO，由三大核心组件Channel(通道)、ByteBuffer(缓冲区)、Selector(选择器)组成，使用selector多路复用技术，一个线程处理多个Channel请求，多个Channel注册在selector多路复用器上，selector轮询并根据四种标识(connect、accept、read、write)进行区分处理。JDK1.4开始引入使用，数据在通道中进行读取操作，线程在发送完或读写数据时，会继续做其他事情，不会等待阻塞。且Channel是双向的，可以进行双向操作，不似BIO，要么是输入流，要么是输出流。

BIO(Blocking I/O) ：同步阻塞IO，线程发起IO请求后，一直阻塞IO，直到缓冲区数据就绪后，再进入下一步操作。一个连接对应一个线程，每创建一个连接就会同步创建一个线程。JDK1.4前使用，数据流形式数据传输方式，数据流以字节、字符流形式体现，且只能为输入流或输出流，为单向流形态。

AIO( Asynchronous I/O ) ：异步非阻塞IO，是JDK7后引入的NIO 2.0版本。是真正的异步操作，既数据发送完成后直接返回，后续完成既失败或成功的信息由系统回调对应的线程，通知继续进行下一步的操作。本质是让内核系统完成，用户线程只需要告诉内核，当缓冲区就绪后，通知执行我交给你的回调函数。

参考：如何理解BIO、NIO、AIO的区别？ - 掘金、JAVA BIO与NIO、AIO的区别(容易理解)、BIO NIO AIO区别、NIO编程及其三大核心原理 | 远方的灯塔 - 专注于服务端技术分享

2.Netty是什么？

• Netty是基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）的网络应用程序框架，它可以提供对TCP、UDP和文件传输的支持，应用场景较为广泛。
• 分布式系统中，各个节点的调用需要远程服务调用，高性能RPC框架必不可少，Netty作为异步高性能的通信框架，通常被作为基础通信组件使用，典型的有Dubbo框架******、RocketMQ、Elasticsearch、gRPC等
• Netty更多的被使用在项目中的统计可以从官网中查看Netty.docs: Related projects

2.Netty有哪些应用场景？

因为Netty是基于NIO实现的，所以在使用场景上，NIO能够做到的Netty也同样可以做到，且青出于蓝胜于蓝，做的会更好

• RPC框架 基础通信组件：比如阿里分布式服务框架 Dubbo 的 RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现各进程节点之间的内部通信
• HTTP服务器开发：可以实现自己的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
• 即时通信系统 ：使用Netty可以实现即时通信聊天的程序，在github、gitee上有很多存在，例如netty聊天室
• 游戏通信推送：Netty本身提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈，便于定制和开发私有协议栈。游戏用户登录、用户聊天等都可以方便的通过 Netty 进行高性能通信

还有很多的其他使用场景，但在工作汇中最常见的场景就是作为一个RPC框架的通信组件以及游戏中的实时通信推送场景。

3.Netty的优势是什么？为什么使用Netty?

• API 使用简单，开发门槛相对较低；
• 功能强大，预置了多种编解码功能，支持多种主流协议；
• 可扩展性强，可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活的扩展；
• 高性能，Netty采用异步、事件驱动的方式处理网络请求。这种处理方式相比传统的同步阻塞I/O模型，能够更好地利用CPU资源，提高系统的吞吐量和响应速度；
• 社区活跃，Netty是一个开源项目，拥有活跃的社区和广泛的用户群体，因此它在功能上得到了不断的更新和改进，以能够满足不断变化的需求；
• 经历了大规模的商业应用考验，质量得到验证。在互联网、大数据、网络游戏、企业应用、电信软件等众多行业得到成功商用，证明了它完全满足不同行业的商用标准

综述，Netty能够提高应用程序的性能、可扩展性和可靠性，同时也能提高开发效率和代码质量。因此，Netty被广泛应用于构建高性能的网络应用程序，例如游戏服务器、聊天应用程序、实时数据传输等

4.BIO、NIO、AIO的区别

• BIO（Blocking IO，一个连接一个线程） ：同步阻塞IO，每一个读或者写操作均会启动一个线程进行处理，并且等待上一操作完成才会进行下一个操作。当在少量数据处理丽连接时，不会出现问题，但要处理的数据达到十万级、百万级、甚至千万级连接时，BIO会增加整体的性能功耗，这时BIO无法满足我们高并发的需求，我们需要更好的一种IO模式来处理。
• NIO（Non Blocking IO或New IO，一个请求一个线程） ：同步非阻塞IO，在Java1.4开始支持并使用，对应使用的包是java.nio。NIO使用通道和缓冲区。数据总是从缓冲区写入通道，并从通道读取到缓冲区,且使用selector选择器进行轮询监听。对于高并发、高负载的情况，使用NIO的非阻塞模式进行开发。
• AIO（Asynchronous IO一个有效请求一个线程） ：异步非阻塞IO，又称为NIO2.0，从JDK7开始支持，AIO的使用是基于事件的回调机制实现的，既一个事件发出请求，不会在该位置等待结果阻塞，会直接返回，当后台处理完成后，操作系统会通知对应的线程进行接下来的操作。AIO的使用目前暂时没有NIO的使用广泛，曾经Netty也是用AIO，后续则是切换为NIO

5 . Netty为什么选择NIO？不选择AIO

想知道这个的原因首先需要了解什么事NIO、什么是AIO，他们的底层使用是什么样的，底层调用的逻辑是什么样的。

• NIO模型：同步非阻塞型IO, NIO有同步阻塞和同步非阻塞两种模式，一般讲的是同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，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模型：异步非阻塞型IO,（ AIO又称NIO2.0，JDK7才开始支持）服务器实现模式为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。

至于没有选择AIO的原因，作者原文

Not faster than NIO (epoll) on unix systems (which is true) ：在unix上并没有比NIO快

There is no daragram suppport ：不支持数据报

Unnecessary threading model (too much abstraction without usage）：太多没有用的抽象

主要有三点：

• • Netty不注重windows的使用，而在linux上的使用，AIO在windows实现成熟，但windows很少用作服务器
  • Linux下AIO相比较NIO性能提升不明显
  • AIO还有个缺点是接收数据需要预先分配缓存, 而不是NIO那种需要接收时才需要分配缓存, 所以对连接数量非常大但流量小的情况, 内存会存在严重浪费的情况

综述，Netty没有选择AIO，而是选择了NIO。

6.Netty有哪些核心组件？

• Bootstrap、ServerBootstrap（Netty启动类）

Bootstrap是客户端的引导类，ServerBootstrap是服务端引导类

• Channel：Netty网络通信的组件，用于网络IO操作；Channel提供异步的网络IO操作，调用后立即返回ChannelFuture，通过注册监听，或者同步等待，最终获取结果；
• ChannelHandler：属于业务的核心接口，用于处理IO事件或者拦截IO操作，并将其转发到ChannelPipeline（业务处理链）中的下一个处理程
• ChannelPipeline：是一个handler的集合，它负责处理和拦截出站和入站的事件和操作；在Netty中，每个Channel都有且只有一个ChannelPipeline与之对
• ChannelHandlerContext：保存Channel相关的所有上下文信息，同时关联一个ChannelHandler。
• NioEventLoopGroup 和NioEventLoop：NioEventLoopGroup可以理解为线程池，NioEventLoop理解为一个线程，每个EventLoop对应一个Selector，负责处理多个Channel上的事件。

7.Netty的高性能表现在哪些地方？

• 异步非阻塞的 IO 模型：Netty 使用了 Java NIO 框架，通过 Selector 实现了异步非阻塞 IO，避免了传统 IO 模型中的阻塞等待，从而大大提高了网络通信的效率和吞吐量。
• 零拷贝优化：Netty 通过使用 Direct Memory Buffer 技术，避免了传统 IO 模型中的数据拷贝过程，减少了 CPU 和内存的开销，提高了网络通信的效率。
• 线程模型优化：Netty 的线程模型采用了多线程 Reactor 模型，通过使用多个 Reactor 线程处理网络 IO 事件，避免了传统 IO 模型中的阻塞等待，提高了网络通信的吞吐量。
• 可扩展性优化：Netty 提供了高度可扩展的设计，通过 ChannelPipeline、ChannelHandler 等组件，可以方便地扩展和定制网络通信的行为和处理逻辑。

8.什么是零拷贝？Netty是怎么实现零拷贝的？

• 零拷贝（Zero-Copy）是指在数据传输过程中，避免将数据从一个内存区域拷贝到另一个内存区域的过程，从而减少了CPU和内存的开销，提高了数据传输的效率。
• 在传统的IO模型中，数据从磁盘或网络中读取到内核缓冲区，然后再被拷贝到应用程序的用户缓冲区，最后再被拷贝到网络或磁盘中。这种数据拷贝的过程会产生多次内存复制和上下文切换，导致CPU和内存的开销增加，降低了数据传输的效率。而零拷贝技术则可以避免这些不必要的内存复制和上下文切换，提高了数据传输的效率。

Netty实现零拷贝

• 使用 Direct Memory Buffer：Netty 通过使用 Direct Memory Buffer 来实现零拷贝。Direct Memory Buffer 是一种在堆外内存中分配的缓冲区，可以直接访问内存，而不需要将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。因此，使用 Direct Memory Buffer 可以避免内存复制的过程，提高数据传输的效率。
• 使用 FileRegion：Netty 还提供了 FileRegion 类，可以将磁盘上的文件映射到内存中，从而避免了数据从磁盘到内核缓冲区的复制过程。这种方式同样可以实现零拷贝。

9.Netty中线程模型是什么样的？

Netty中的线程模型是属于Reactor模型的，包括三种实现方式Reactor单线程模型、Reactor多线程模型、Reactor主从多线程模型，目前使用的方式是Reactor主从多线程模型，很好的解决了高并发的性能问题。如果给Reactor线程模式下一个定义，则可以理解为：Reactor线程模式 = Reactor(I/O多路复用)+ 线程，Reactor负责监听和分配事件，线程池负责处理事件。

Reactor单线程模型

Reactor内部通过 selector 监听连接事件，收到事件后通过dispatch进行分发。

• 如果是连接建立的事件，通过accept接受连接，并创建一个Handler来处理连接后续的各种事件。
• 如果是读写事件，直接调用连接对应的Handler来处理，Handler完成 read => (decode => compute => encode) => send 的全部流程

从始至终，整个过程都只有一个线程在执行操作。

不过改种模式下，在请求过多的时候，只有一个线程处理，无法发挥cpu多核处理性能，且一旦其中一个Handler阻塞，服务端整体则无法继续处理连接事物

Reactor多线程模型

为了提高性能，我们可以把复杂的事件处理handler交给线程池，那就可以演进为 「Reactor多线程模型」 。

通过select监听客户请求，如果是连接建立的事件，通过accept接受连接，并创建一个Handler来处理连接后续的读写事件。这里的Handler只负责响应事件、read和write事件，会将具体的业务处理交由Worker线程池处理。处理所有业务事件，包括(decode => compute => encode) 过程。能充分利用多核机器的资源，提高性能。

但是，在高并发情况下，一个Reactor线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。

Reactor主从多线程模型

为了充分利用多核能力，可以构建两个 Reactor，这就演进为 「Reactor主从多线程模型」 。

比起第二种模型，它是将Reactor分成两部分：

1. mainReactor负责监听server socket，用来处理网络IO连接建立操作，将建立的socketChannel指定注册给subReactor。
2. subReactor主要做和建立起来的socket做数据交互和事件业务处理操作。通常，subReactor个数上可与CPU个数等同。

Nginx、Swoole、Memcached和Netty都是采用这种实现。

Reactor模型优点：

• 响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的；
• 编程相对简单，可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
• 可扩展性，可以方便地通过增加Reactor实例个数来充分利用CPU资源
• 可复用性，Reactor模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性。

10.什么是TCP粘包和半包？

TCP是个"流"协议，所谓流，就是没有界限的一串数据。客户端发送数据时，实际时把数据写进了Tcp发送的缓冲区里面。

• 半包：收到半个包。如送的包的大小比TCP发送缓冲区容量大或者发送的数据大于协议的最大传输单元（MTU），那么这个数据包就会被分成多个包，通过socket多次发送到服务端，服务端第一次从缓冲区获取到的数据时整个全包的一部分
• 粘包：发送的包的大小比TCP发送缓冲区容量小，并且TCP缓冲区可以存放多个包，那么客户端和服务端的一次通信就可能传递了多个包，这时候服务端从接受缓存就可能一下读取了多个包

举例说明：比如发送2条数据：ABC、DEF ，服务端可能一次就收到ABCDEF（粘包现象） ，也可能收到AB、CD、DE（半包现象）

11.Netty如和解决粘包和拆包？

解决原理：找出消息的边界

NIO解决方式：

1）固定设置一个缓冲区空间大小，比如1024，但是存在一个很明显的问题，容易造成空间浪费

2）设置一个固定的分割符，设定缓存空间固定，根据分割符多次读取，比如设定分割符为"\n"

3）传送前先发送一个大小的信息给服务端，服务端创建对应大小缓冲区（HTTP的实现方式）

Netty的解决方式：

对三种常用封装成帧进行支持 (以下类都继承ByteToMessageDecoder，ByteToMessageDecoder又继承ChannelInboundHandlerAdapter)

消息固定长度	FixedLengthFrameDecoder
自定义分隔符分割	DelimiterBasedFrameDecoder
换行符进行分割	LineBasedFrameDecoder
消息分为消息头和消息体，消息头中包含表示消息总长度	LengthFieldBasedFrameDecoder