遊戲服務器中的Netty應用以及源碼剖析

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一、Reactor模式和Netty線程模型

最近因為工作需要，學習瞭一段時間Netty的源碼，並做瞭一個簡單的分享，研究還不是特別深入，繼續努力。因為分享也不涉及公司業務，所以這裡也把這次對源碼的研究成果分享出來 以下都是在遊戲服務器開發中針對Netty使用需要瞭解知識點以及相關優化

這次分享主要設計以下內容

  • Netty線程模型
  • Netty對TCP相關參數的配置和具體含義
  • Netty對Epoll的封裝
  • Netty的優雅關閉

客戶端連接數的限制

  • 內存資源
  • CPU資源

端口號資源

cat /proc/sys/net/ipv4/ip_local_port_range

文件描述符資源

  • 系統級：當前系統可打開的最大數量，通過 cat /proc/sys/fs/file-max 查看
  • 用戶級：指定用戶可打開的最大數量，通過 cat /etc/security/limits.conf 查看
  • 進程級：單個進程可打開的最大數量，通過 cat /proc/sys/fs/nr_open 查看
  • 線程資源 BIO/NIO

1. BIO模型

  • 所有操作都是同步阻塞（accept，read）
  • 客戶端連接數與服務器線程數比例是1:1

2. NIO模型

  • 非阻塞IO
  • 通過selector實現可以一個線程管理多個連接
  • 通過selector的事件註冊（OP_READ/OP_WRITE/OP_CONNECT/OP_ACCEPT），處理自己感興趣的事件

客戶端連接數與服務器線程數比例是n:1

3. Reacor模型

①. 單Reacor單線程模型

    所有IO在同一個NIO線程完成（處理連接，分派請求，編碼，解碼，邏輯運算，發送）

優點：

  • 編碼簡單
  • 不存在共享資源競爭
  • 並發安全

缺點：

  • 單線程處理大量鏈路時，性能無法支撐，不能合理利用多核處理
  • 線程過載後，處理速度變慢，會導致消息積壓
  • 一旦線程掛掉，整個通信層不可用 redis使用的就是reactor單進程模型，redis由於都是內存級操作，所以使用此模式沒什麼問題

reactor單線程模型圖：

netty reactor單線程模型圖：

Netty對應實現方式

// Netty對應實現方式：創建io線程組是，boss和worker，使用同一個線程組，並且線程數為1
EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup(1);
b.group(ioGroup, ioGroup)
        .channel(NioServerSocketChannel.class)
        .childHandler(initializer);
ChannelFuture f = b.bind(portNumner);
cf = f.sync();
f.get();

②. 單Reactor多線程模型

根據單線程模型，io處理中最耗時的編碼，解碼，邏輯運算等cpu消耗較多的部分，可提取出來使用多線程實現，並充分利用多核cpu的優勢

優點：

多線程處理邏輯運算，提高多核CPU利用率

缺點：

對於單Reactor來說，大量鏈接的IO事件處理依然是性能瓶頸

reactor多線程模型圖：

netty reactor多線程模型圖：

Netty對應實現方式

// Netty對應實現方式：創建io線程組是，boss和worker，使用同一個線程組，並且線程數為1，把邏輯運算部分投遞到用戶自定義線程處理
EventLoopGroup ioGroup = new NioEventLoopGroup(1);
b.group(ioGroup, ioGroup)
        .channel(NioServerSocketChannel.class)
        .childHandler(initializer);
ChannelFuture f = b.bind(portNumner);
cf = f.sync();
f.get();

③. 主從Reactor多線程模型

根據多線程模型，可把它的性能瓶頸做進一步優化，即把reactor由單個改為reactor線程池，把原來的reactor分為mainReactor和subReactor

優點：

  • 解決單Reactor的性能瓶頸問題（Netty/Nginx采用這種設計）

reactor主從多線程模型圖：

netty reactor主從多線程模型圖：

Netty對應實現方式

// Netty對應實現方式：創建io線程組boss和worker，boss線程數為1，work線程數為cpu*2(一般IO密集可設置為2倍cpu核數)
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
b.group(bossGroup, workerGroup)
        .channel(NioServerSocketChannel.class)
        .childHandler(initializer);
ChannelFuture f = b.bind(portNumner);
cf = f.sync();
f.get();

④. 部分源碼分析

  • 創建group實例
// 1.構造參數不傳或傳0，默認取系統參數配置，沒有參數配置，取CPU核數*2
super(nThreads == 0 ? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, executor, args);
private static final int DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS;
static {
    DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS = Math.max(1, SystemPropertyUtil.getInt(
            "io.netty.eventLoopThreads", NettyRuntime.availableProcessors() * 2));
}
// 2.不同版本的JDK會有不同版本的SelectorProvider實現，Windows下的是WindowsSelectorProvider
public NioEventLoopGroup(int nThreads, Executor executor) {
    //默認selector,最終實現類似：https://github.com/frohoff/jdk8u-jdk/blob/master/src/macosx/classes/sun/nio/ch/DefaultSelectorProvider.java
    //basic flow: 1 java.nio.channels.spi.SelectorProvider 2 META-INF/services 3 default
    this(nThreads, executor, SelectorProvider.provider());
}
// 3.創建nThread個EventExecutor，並封裝到選擇器chooser，chooser會根據線程數分別有兩種實現（GenericEventExecutorChooser和PowerOfTwoEventExecutorChooser，算法不同，但實現邏輯一樣，就是均勻的分配線程處理）
EventExecutorChooserFactory.EventExecutorChooser chooser;
children = new EventExecutor[nThreads];
for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {
    // ...
    children[i] = newChild(executor, args);
    // ...
}
chooser = chooserFactory.newChooser(children);
  • 設置group
// 兩種方式設置group
// parent和child使用同一個group，調用仍然是分別設置parent和child
@Override
public ServerBootstrap group(EventLoopGroup group) {
    return group(group, group);
}
ServerBootstrap.group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup){
    // 具體代碼略，可直接參考源碼
    // 裡面實現內容是把parentGroup綁定到this.group，把childGroup綁定到this.childGroup
}
  • Netty啟動
// 調用順序
ServerBootstrap:bind() -> doBind() -> initAndRegister()
private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
    final ChannelFuture regFuture = initAndRegister();
    // ...
    doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise);
    // ...
}
final ChannelFuture initAndRegister() {
    // 創建ServerSocketChannel
    Channel channel = channelFactory.newChannel();
    // ...
    // 開始register
    ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);
    // register調用順序
    // next().register(channel) -> (EventLoop) super.next() -> chooser.next()
    // ...
}

由以上源碼可得知，bind隻在起服調用一次，因此bossGroup僅調用一次regist，也就是僅調用一次next，因此隻有一根線程是有用的，其餘線程都是廢棄的，所以bossGroup線程數設置為1即可

// 啟動BossGroup線程並綁定本地SocketAddress
private static void doBind0(
        final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
        final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
    channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            if (regFuture.isSuccess()) {
                channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
            } else {
                promise.setFailure(regFuture.cause());
            }
        }
    });
}
  • 客戶端連接
// 消息事件讀取
NioEventLoop.run() -> processSelectedKeys() -> ... -> ServerBootstrapAcceptor.channelRead
// ServerBootstrapAcceptor.channelRead處理客戶端連接事件
// 最後一行的childGroup.register的邏輯和上面的代碼調用處一樣
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
    child.pipeline().addLast(childHandler);
    setChannelOptions(child, childOptions, logger);
    setAttributes(child, childAttrs);
    childGroup.register(child)
}

二、select/poll和epoll

1.概念

  • select(時間復雜度O(n))：用一個fd數組保存所有的socket，然後通過死循環遍歷調用操作系統的select方法找到就緒的fd
while(1) {
  nready = select(list);
  // 用戶層依然要遍歷，隻不過少瞭很多無效的系統調用
  for(fd <-- fdlist) {
    if(fd != -1) {
      // 隻讀已就緒的文件描述符
      read(fd, buf);
      // 總共隻有 nready 個已就緒描述符，不用過多遍歷
      if(--nready == 0) break;
    }
  }
}

poll(時間復雜度O(n))：同select，不過把fd數組換成瞭fd鏈表，去掉瞭fd最大連接數（1024個）的數量限制

epoll(時間復雜度O(1))：解決瞭select/poll的幾個缺陷

  • 調用需傳入整個fd數組或fd鏈表，需要拷貝數據到內核
  • 內核層需要遍歷檢查文件描述符的就緒狀態
  • 內核僅返回可讀文件描述符個數，用戶仍需自己遍歷所有fd

epoll是操作系統基於事件關聯fd，做瞭以下優化：

  • 內核中保存一份文件描述符集合，無需用戶每次都重新傳入，隻需告訴內核修改的部分即可。（epoll_ctl）
  • 內核不再通過輪詢的方式找到就緒的文件描述符，而是通過異步 IO 事件喚醒。（epoll_wait）
  • 內核僅會將有 IO 事件的文件描述符返回給用戶，用戶也無需遍歷整個文件描述符集合。

epoll僅在Linux系統上支持

2.jdk提供selector

// DefaultSelectorProvider.create方法在不同版本的jdk下有不同實現，創建不同Selector
// Windows版本的jdk，其實現中調用的是native的poll方法
public static SelectorProvider create() {
    return new WindowsSelectorProvider();
}
// Linux版本的jdk
public static SelectorProvider create() {
    String str = (String)AccessController.doPrivileged(new GetPropertyAction("os.name"));
    if (str.equals("SunOS")) {
        return createProvider("sun.nio.ch.DevPollSelectorProvider");
    }
    if (str.equals("Linux")) {
        return createProvider("sun.nio.ch.EPollSelectorProvider");
    }
    return new PollSelectorProvider();
}

3.Netty提供的Epoll封裝

netty依然基於epoll做瞭一層封裝，主要做瞭以下事情：

（1）java的nio默認使用水平觸發，Netty的Epoll默認使用邊緣觸發，且可配置

  • 邊緣觸發：當狀態變化時才會發生io事件。
  • 水平觸發：隻要滿足條件，就觸發一個事件（隻要有數據沒有被獲取，內核就不斷通知你）

（2）Netty的Epoll提供更多的nio的可配參數。

（3）調用c代碼，更少gc，更少synchronized 具體可以參考源碼NioEventLoop.run和EpollEventLoop.run進行對比

4.Netty相關類圖

線程組類圖

channel類圖

5.配置Netty為EpollEventLoop

// 創建指定的EventLoopGroup
bossGroup = new EpollEventLoopGroup(1, new DefaultThreadFactory("BOSS_LOOP"));
workerGroup = new EpollEventLoopGroup(32, new DefaultThreadFactory("IO_LOOP"));
b.group(bossGroup, workerGroup)
        // 指定channel的class
        .channel(EpollServerSocketChannel.class)
        .childHandler(initializer);
// 其中channel(clz)方法是通過class來new一個反射ServerSocketChannel創建工廠類
public B channel(Class<? extends C> channelClass) {
    if (channelClass == null) {
        throw new NullPointerException("channelClass");
    }
    return channelFactory(new ReflectiveChannelFactory<C>(channelClass));
}
final ChannelFuture initAndRegister() {
    // ...
    Channel channel = channelFactory.newChannel();
    // ...
}

三、Netty相關參數

1.SO_KEEPALIVE

childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)

TCP鏈路探活

2.SO_REUSEADDR

option(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true)

重用處於TIME_WAIT但是未完全關閉的socket地址，讓端口釋放後可立即被重用。默認關閉，需要手動開啟

3.TCP_NODELAY

childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)

IP報文格式

TCP報文格式

開啟則禁用TCP Negal算法，優點低延時，缺點在大量小數據包的情況下，網絡利用率低

關閉則開啟TCP Negal算法，優點提高網絡利用率（數據緩存到一定量才發送），缺點延時高

Negal算法

  • 如果包長度達到MSS（maximum segment size最大分段長度），則允許發送；
  • 如果該包含有FIN，則允許發送；
  • 設置瞭TCP_NODELAY選項，則允許發送；
  • 未設置TCP_CORK選項（是否阻塞不完整報文）時，若所有發出去的小數據包（包長度小於MSS）均被確認，則允許發送；
  • 上述條件都未滿足，但發生瞭超時（一般為200ms），則立即發送。

MSS計算規則 MSS的值是在TCP三次握手建立連接的過程中，經通信雙方協商確定的 802.3標準裡，規定瞭一個以太幀的數據部分(Payload)的最大長度是1500個字節(MTU)

MSS = MTU – IP首部 – TCP首部
以太網環境下：
  MTU = 1500字節
IP首部 = 32*5/4 = 160bit = 20字節
TCP首部 = 32*5/4 = 160bit = 20字節
最終得出MSS = 1460字節

結論：因為遊戲服務器的實時性要求，在網絡帶寬足夠的情況下，建議開啟TCP_NODELAY，關閉Negal算法，帶寬可以浪費，響應必須及時

註意：需要客戶端服務器均關閉Negal算法，否則仍然會有延遲發送，影響傳輸速度

4.SO_BACKLOG

option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)

操作系統內核中維護的兩個隊列

  • syns queue：保存syn到達，但沒完成三次握手的半連接
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog
  • accpet queue：保存完成三次握手，內核等待accept調用的連接
cat /proc/sys/net/core/somaxconn

netty對於backlog的默認值設置在NetUtil類253行

SOMAXCONN = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Integer>() {
    @Override
    public Integer run() {
        // 1.設置默認值
        int somaxconn = PlatformDependent.isWindows() ? 200 : 128;
        File file = new File("/proc/sys/net/core/somaxconn");
        if (file.exists()) {
            // 2.文件存在，讀取操作系統配置
            in = new BufferedReader(new FileReader(file));
            somaxconn = Integer.parseInt(in.readLine());
        } else {
            // 3.文件不存在，從各個參數中讀取
            if (SystemPropertyUtil.getBoolean("io.netty.net.somaxconn.trySysctl", false)) {
                tmp = sysctlGetInt("kern.ipc.somaxconn");
                if (tmp == null) {
                    tmp = sysctlGetInt("kern.ipc.soacceptqueue");
                    if (tmp != null) {
                        somaxconn = tmp;
                    }
                } else {
                    somaxconn = tmp;
                }
            }
        }
    }
}

結論：

Linux下/proc/sys/net/core/somaxconn一定存在，所以backlog一定取得它的值，我參考prod機器的參數配置的65535，也就是不設置backlog的情況下，服務器運行緩存65535個全連接

5.ALLOCATOR和RCVBUF_ALLOCATOR

默認分配ByteBuffAllocator賦值如下： ByteBufUtil.java

static {
    //以io.netty.allocator.type為準，沒有的話，安卓平臺用非池化實現，其他用池化實現
    String allocType = SystemPropertyUtil.get(
            "io.netty.allocator.type", PlatformDependent.isAndroid() ? "unpooled" : "pooled");
    allocType = allocType.toLowerCase(Locale.US).trim();
    ByteBufAllocator alloc;
    if ("unpooled".equals(allocType)) {
        alloc = UnpooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
    } else if ("pooled".equals(allocType)) {
        alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: {}", allocType);
    } else {
        //io.netty.allocator.type設置的不是"unpooled"或者"pooled"，就用池化實現。
        alloc = PooledByteBufAllocator.DEFAULT;
        logger.debug("-Dio.netty.allocator.type: pooled (unknown: {})", allocType);
    }
    DEFAULT_ALLOCATOR = alloc;
}

RCVBUF_ALLOCATOR默認AdaptiveRecvByteBufAllocator

public class DefaultChannelConfig implements ChannelConfig {
    // ...
    public DefaultChannelConfig(Channel channel) {
        this(channel, new AdaptiveRecvByteBufAllocator());
    }
    // ...
}

四、Netty關閉

/**
 * Shortcut method for {@link #shutdownGracefully(long, long, TimeUnit)} with sensible default values.
 *
 * @return the {@link #terminationFuture()}
 */
Future<?> shutdownGracefully();
/**
 * Signals this executor that the caller wants the executor to be shut down.  Once this method is called,
 * {@link #isShuttingDown()} starts to return {@code true}, and the executor prepares to shut itself down.
 * Unlike {@link #shutdown()}, graceful shutdown ensures that no tasks are submitted for <i>'the quiet period'</i>
 * (usually a couple seconds) before it shuts itself down.  If a task is submitted during the quiet period,
 * it is guaranteed to be accepted and the quiet period will start over.
 *
 * @param quietPeriod the quiet period as described in the documentation
                     靜默期：在此期間，仍然可以提交任務
 * @param timeout     the maximum amount of time to wait until the executor is {@linkplain #shutdown()}
 *                    regardless if a task was submitted during the quiet period
                     超時時間：等待所有任務執行完的最大時間
 * @param unit        the unit of {@code quietPeriod} and {@code timeout}
 *
 * @return the {@link #terminationFuture()}
 */
Future<?> shutdownGracefully(long quietPeriod, long timeout, TimeUnit unit);
// 抽象類中的實現
static final long DEFAULT_SHUTDOWN_QUIET_PERIOD = 2;
static final long DEFAULT_SHUTDOWN_TIMEOUT = 15;
@Override
public Future<?> shutdownGracefully() {
    return shutdownGracefully(DEFAULT_SHUTDOWN_QUIET_PERIOD, DEFAULT_SHUTDOWN_TIMEOUT, TimeUnit.SECONDS);
}
  • 把NIO線程的狀態位設置成ST_SHUTTING_DOWN狀態，不再處理新的消息（不允許再對外發送消息）；
  • 退出前的預處理操作：把發送隊列中尚未發送或者正在發送的消息發送完、把已經到期或者在退出超時之前到期的定時任務執行完成、把用戶註冊到NIO線程的退出Hook任務執行完成；
  • 資源的釋放操作：所有Channel的釋放、多路復用器的去註冊和關閉、所有隊列和定時任務的清空取消，最後是NIO線程的退出。

以上就是遊戲服務器中的Netty應用以及源碼剖析的詳細內容，更多關於Netty遊戲服務器的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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