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文章摘要:如何设计RPC通信层模型是任何一款性能强劲的MQ所要重点考虑的问题

在(一)篇中主要介绍了RocketMQ的协议格式,消息编解码,通信方式(同步/异步/单向)、消息发送/接收以及异步回调的主要通信流程。而本篇将主要对RocketMQ消息队列RPC通信部分的Netty多线程模型进行重点介绍。

一、为何要使用Netty作为高性能的通信库?

在看RocketMQ的RPC通信部分时候,可能有不少同学有这样子的疑问,RocketMQ为何要选择Netty而不直接使用JDK的NIO进行网络编程呢?这里有必要先来简要介绍下Netty。
Netty是一个封装了JDK的NIO库的高性能网络通信开源框架。它提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具,用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。
下面主要列举了下一般系统的RPC通信模块会选择Netty作为底层通信库的理由(作者认为RocketMQ的RPC同样也是基于此选择了Netty):

(1)Netty的编程API使用简单,开发门槛低,无需编程者去关注和了解太多的NIO编程模型和概念;

(2)对于编程者来说,可根据业务的要求进行定制化地开发,通过Netty的ChannelHandler对通信框架进行灵活的定制化扩展;

(3)Netty框架本身支持拆包/解包,异常检测等机制,让编程者可以从JAVA NIO的繁琐细节中解脱,而只需要关注业务处理逻辑;

(4)Netty解决了(准确地说应该是采用了另一种方式完美规避了)JDK NIO的Bug(Epoll bug,会导致Selector空轮询,最终导致CPU 100%);

(5)Netty框架内部对线程,selector做了一些细节的优化,精心设计的reactor多线程模型,可以实现非常高效地并发处理;

(6)Netty已经在多个开源项目(Hadoop的RPC框架avro使用Netty作为通信框架)中都得到了充分验证,健壮性/可靠性比较好。

二、RocketMQ中RPC通信的Netty多线程模型

RocketMQ的RPC通信部分采用了“1+N+M1+M2”的Reactor多线程模式,对网络通信部分进行了一定的扩展与优化,这一节主要让我们来看下这一部分的具体设计与实现内容。

2.1、Netty的Reactor多线程模型设计概念与简述

这里有必要先来简要介绍下Netty的Reactor多线程模型。Reactor多线程模型的设计思想是分而治之+事件驱动。

(1)分而治之
一般来说,一个网络请求连接的完整处理过程可以分为接受(accept)、数据读取(read)、解码/编码(decode/encode)、业务处理(process)、发送响应(send)这几步骤。Reactor模型将每个步骤都映射成为一个任务,服务端线程执行的最小逻辑单元不再是一次完整的网络请求,而是这个任务,且采用以非阻塞方式执行。

(2)事件驱动
每个任务对应特定网络事件。当任务准备就绪时,Reactor收到对应的网络事件通知,并将任务分发给绑定了对应网络事件的Handler执行。

2.2、RocketMQ中RPC通信的1+N+M1+M2的Reactor多线程设计与实现

(1)RocketMQ中RPC通信的Reactor多线程设计与流程
RocketMQ的RPC通信采用Netty组件作为底层通信库,同样也遵循了Reactor多线程模型,同时又在这之上做了一些扩展和优化。下面先给出一张RocketMQ的RPC通信层的Netty多线程模型框架图,让大家对RocketMQ的RPC通信中的多线程分离设计有一个大致的了解。
RocketMQ的RPC通信层—1+N+M1+M2模型.png
从上面的框图中可以大致了解RocketMQ中NettyRemotingServer的Reactor 多线程模型。一个 Reactor 主线程(eventLoopGroupBoss,即为上面的1)负责监听 TCP网络连接请求,建立好连接后丢给Reactor 线程池(eventLoopGroupSelector,即为上面的“N”,源码中默认设置为3),它负责将建立好连接的socket 注册到 selector上去(RocketMQ的源码中会自动根据OS的类型选择NIO和Epoll,也可以通过参数配置),然后监听真正的网络数据。拿到网络数据后,再丢给Worker线程池(defaultEventExecutorGroup,即为上面的“M1”,源码中默认设置为8)
为了更为高效的处理RPC的网络请求,这里的Worker线程池是专门用于处理Netty网络通信相关的(包括编码/解码、空闲链接管理、网络连接管理以及网络请求处理)。而处理业务操作放在业务线程池中执行(这个内容在“RocketMQ的RPC通信(一)篇”中也有提到),根据 RomotingCommand 的业务请求码code去processorTable这个本地缓存变量中找到对应的 processor,然后封装成task任务后,提交给对应的业务processor处理线程池来执行(sendMessageExecutor,以发送消息为例,即为上面的 “M2”)
下面以表格的方式列举了下上面所述的“1+N+M1+M2”Reactor多线程模型

线程数 线程名 线程具体说明
1 NettyBoss_%d
N NettyServerEPOLLSelector_%d_%d
M1 NettyServerCodecThread_%d
M2 RemotingExecutorThread_%d

(2)RocketMQ中RPC通信的Reactor多线程的代码具体实现
说完了Reactor多线程整体的设计与流程,大家应该就对RocketMQ的RPC通信的Netty部分有了一个比较全面的理解了,那接下来就从源码上来看下一些细节部分(在看该部分代码时候需要读者对JAVA NIO和Netty的相关概念与技术点有所了解)。
在NettyRemotingServer的实例初始化时,会初始化各个相关的变量包括serverBootstrap、nettyServerConfig参数、channelEventListener监听器并同时初始化eventLoopGroupBoss和eventLoopGroupSelector两个Netty的EventLoopGroup线程池(这里需要注意的是,如果是Linux平台,并且开启了native epoll,就用EpollEventLoopGroup,这个也就是用JNI,调的c写的epoll;否则,就用Java NIO的NioEventLoopGroup。),具体代码如下:

public NettyRemotingServer(final NettyServerConfig nettyServerConfig,
final ChannelEventListener channelEventListener) {
super(nettyServerConfig.getServerOnewaySemaphoreValue(), nettyServerConfig.getServerAsyncSemaphoreValue());
this.serverBootstrap = new ServerBootstrap();
this.nettyServerConfig = nettyServerConfig;
this.channelEventListener = channelEventListener;
//省略部分代码
//初始化时候nThreads设置为1,说明RemotingServer端的Disptacher链接管理和分发请求的线程为1,用于接收客户端的TCP连接
this.eventLoopGroupBoss = new NioEventLoopGroup(1, new ThreadFactory() {
private AtomicInteger threadIndex = new AtomicInteger(0);

@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
return new Thread(r, String.format("NettyBoss_%d", this.threadIndex.incrementAndGet()));
}
});

/**
* 根据配置设置NIO还是Epoll来作为Selector线程池
* 如果是Linux平台,并且开启了native epoll,就用EpollEventLoopGroup,这个也就是用JNI,调的c写的epoll;否则,就用Java NIO的NioEventLoopGroup。
*
*/
if (useEpoll()) {
this.eventLoopGroupSelector = new EpollEventLoopGroup(nettyServerConfig.getServerSelectorThreads(), new ThreadFactory() {
private AtomicInteger threadIndex = new AtomicInteger(0);
private int threadTotal = nettyServerConfig.getServerSelectorThreads();

@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
return new Thread(r, String.format("NettyServerEPOLLSelector_%d_%d", threadTotal, this.threadIndex.incrementAndGet()));
}
});
} else {
this.eventLoopGroupSelector = new NioEventLoopGroup(nettyServerConfig.getServerSelectorThreads(), new ThreadFactory() {
private AtomicInteger threadIndex = new AtomicInteger(0);
private int threadTotal = nettyServerConfig.getServerSelectorThreads();

@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
return new Thread(r, String.format("NettyServerNIOSelector_%d_%d", threadTotal, this.threadIndex.incrementAndGet()));
}
});
}
//省略部分代码

在NettyRemotingServer实例初始化完成后,就会将其启动。Server端在启动阶段会将之前实例化好的1个acceptor线程(eventLoopGroupBoss),N个IO线程(eventLoopGroupSelector),M1个worker 线程(defaultEventExecutorGroup)绑定上去。前面部分也已经介绍过各个线程池的作用了。
这里需要说明的是,Worker线程拿到网络数据后,就交给Netty的ChannelPipeline(其采用责任链设计模式),从Head到Tail的一个个Handler执行下去,这些 Handler是在创建NettyRemotingServer实例时候指定的。NettyEncoder和NettyDecoder 负责网络传输数据和 RemotingCommand 之间的编解码。NettyServerHandler 拿到解码得到的 RemotingCommand 后,根据 RemotingCommand.type 来判断是 request 还是 response来进行相应处理,根据业务请求码封装成不同的task任务后,提交给对应的业务processor处理线程池处理。

@Override
public void start() {
//默认的处理线程池组,使用默认的处理线程池组用于处理后面的多个Netty Handler的逻辑操作

this.defaultEventExecutorGroup = new DefaultEventExecutorGroup(
nettyServerConfig.getServerWorkerThreads(),
new ThreadFactory() {

private AtomicInteger threadIndex = new AtomicInteger(0);

@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
return new Thread(r, "NettyServerCodecThread_" + this.threadIndex.incrementAndGet());
}
});
/**
* 首先来看下 RocketMQ NettyServer 的 Reactor 线程模型,
* 一个 Reactor 主线程负责监听 TCP 连接请求;
* 建立好连接后丢给 Reactor 线程池,它负责将建立好连接的 socket 注册到 selector
* 上去(这里有两种方式,NIO和Epoll,可配置),然后监听真正的网络数据;
* 拿到网络数据后,再丢给 Worker 线程池;
*
*/
//RocketMQ-> Java NIO的1+N+M模型:1个acceptor线程,N个IO线程,M1个worker 线程。
ServerBootstrap childHandler =
this.serverBootstrap.group(this.eventLoopGroupBoss, this.eventLoopGroupSelector)
.channel(useEpoll() ? EpollServerSocketChannel.class : NioServerSocketChannel.class)
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
//服务端处理客户端连接请求是顺序处理的,所以同一时间只能处理一个客户端连接,多个客户端来的时候,服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理,backlog参数指定了队列的大小
.option(ChannelOption.SO_REUSEADDR, true)//这个参数表示允许重复使用本地地址和端口
.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, false)//当设置该选项以后,如果在两小时内没有数据的通信时,TCP会自动发送一个活动探测数据报文。
.childOption(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)//该参数的作用就是禁止使用Nagle算法,使用于小数据即时传输
.childOption(ChannelOption.SO_SNDBUF, nettyServerConfig.getServerSocketSndBufSize())//这两个参数用于操作接收缓冲区和发送缓冲区
.childOption(ChannelOption.SO_RCVBUF, nettyServerConfig.getServerSocketRcvBufSize())
.localAddress(new InetSocketAddress(this.nettyServerConfig.getListenPort()))
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

ch.pipeline()
.addLast(defaultEventExecutorGroup, HANDSHAKE_HANDLER_NAME,
new HandshakeHandler(TlsSystemConfig.tlsMode))
.addLast(defaultEventExecutorGroup,
new NettyEncoder(),//rocketmq解码器,他们分别覆盖了父类的encode和decode方法
new NettyDecoder(),//rocketmq编码器
new IdleStateHandler(0, 0, nettyServerConfig.getServerChannelMaxIdleTimeSeconds()),//Netty自带的心跳管理器
new NettyConnectManageHandler(),//连接管理器,他负责捕获新连接、连接断开、异常等事件,然后统一调度到NettyEventExecuter处理器处理。
new NettyServerHandler()//当一个消息经过前面的解码等步骤后,然后调度到channelRead0方法,然后根据消息类型进行分发
);
}
});

if (nettyServerConfig.isServerPooledByteBufAllocatorEnable()) {
childHandler.childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT);
}

try {
ChannelFuture sync = this.serverBootstrap.bind().sync();
InetSocketAddress addr = (InetSocketAddress) sync.channel().localAddress();
this.port = addr.getPort();
} catch (InterruptedException e1) {
throw new RuntimeException("this.serverBootstrap.bind().sync() InterruptedException", e1);
}

if (this.channelEventListener != null) {
this.nettyEventExecutor.start();
}

//定时扫描responseTable,获取返回结果,并且处理超时
this.timer.scheduleAtFixedRate(new TimerTask() {

@Override
public void run() {
try {
NettyRemotingServer.this.scanResponseTable();
} catch (Throwable e) {
log.error("scanResponseTable exception", e);
}
}
}, 1000 * 3, 1000);
}

从上面的描述中可以概括得出RocketMQ的RPC通信部分的Reactor线程池模型框图。
RocketMQ的RPC通信层—Reactor线程池.png
整体可以看出RocketMQ的RPC通信借助Netty的多线程模型,其服务端监听线程和IO线程分离,同时将RPC通信层的业务逻辑与处理具体业务的线程进一步相分离。时间可控的简单业务都直接放在RPC通信部分来完成,复杂和时间不可控的业务提交至后端业务线程池中处理,这样提高了通信效率和MQ整体的性能。(ps:其中抽象出NioEventLoop来表示一个不断循环执行处理任务的线程,每个NioEventLoop有一个selector,用于监听绑定在其上的socket链路。)

三、总结

仔细阅读RocketMQ的过程中收获了很多关于网络通信设计技术和知识点。对于刚接触开源版的RocketMQ的童鞋来说,想要自己掌握RPC通信部分的各个技术知识点,还需要不断地使用本地环境进行debug调试和阅读源码反复思考。限于笔者的才疏学浅,对本文内容可能还有理解不到位的地方,如有阐述不合理之处还望留言一起探讨。后续还会陆续发布RocketMQ其他模块(Client、Broker和NameServer等)的相关技术文章,敬请关注。
在此顺便为自己打个Call,有兴趣的朋友可以关注下我的个人公众号:“匠心独运的博客”,对于Java并发、Spring、数据库和消息队列的一些细节、问题的文章将会在这个公众号上发布,欢迎交流与讨论。

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文章目录
  1. 1. 一、为何要使用Netty作为高性能的通信库?
  2. 2. 二、RocketMQ中RPC通信的Netty多线程模型
    1. 2.1. 2.1、Netty的Reactor多线程模型设计概念与简述
    2. 2.2. 2.2、RocketMQ中RPC通信的1+N+M1+M2的Reactor多线程设计与实现
  3. 3. 三、总结
  4. 4. 666. 彩蛋