Netty——面试问题集合和总结分析

摘要

本博文将详细的梳理本人整理好的关于netty的相关的面试问题，供大家参考学习。

面试问题 Netty是什么?

• 1.Netty是一个基于NIo的client-server(客户端服务器)框架，使用它可以快速简单地开发网络应用程序。
• ⒉.它极大地简化并优化了TCP和UDP套接字服务器等网络编程,并且性能以及安全性等很多方面甚至都要更好。
• 3.支持多种协议如FTP，SMTP，HTTP以及各种二进制和基于文本的传统协议。
• 用官方的总结就是:Netty 成功地找到了一种在不妥协可维护性和性能的情况下实现易于开发，性能，稳定性和灵活性的方法。

为什么要用 Netty 呢？能不能说一下自己的看法。

• 统一的 API，支持多种传输类型，阻塞和非阻塞的。
• 简单而强大的线程模型。
• 自带编解码器解决 TCP 粘包/拆包问题。
• 自带各种协议栈。
• 真正的无连接数据包套接字支持。
• 比直接使用 Java 核心 API 有更高的吞吐量、更低的延迟、更低的资源消耗和更少的内存复制。
• 安全性不错，有完整的 SSL/TLS 以及 StartTLS 支持。
• 社区活跃
• 成熟稳定，经历了大型项目的使用和考验，而且很多开源项目都使用到了 Netty， 比如我们经常接触的 Dubbo、RocketMQ 等等。

能不能通俗地说一下使用 Netty 可以做什么事情

• 作为 RPC 框架的网络通信工具 ： 我们在分布式系统中，不同服务节点之间经常需要相互调用，这个时候就需要 RPC 框架了。不同服务节点之间的通信是如何做的呢？可以使用 Netty 来做。比如我调用另外一个节点的方法的话，至少是要让对方知道我调用的是哪个类中的哪个方法以及相关参数吧！
• 实现一个自己的 HTTP 服务器 ：通过 Netty 我们可以自己实现一个简单的 HTTP 服务器，这个大家应该不陌生。说到 HTTP 服务器的话，作为 Java 后端开发，我们一般使用 Tomcat 比较多。一个最基本的 HTTP 服务器可要以处理常见的 HTTP Method 的请求，比如 POST 请求、GET 请求等等。
• 实现一个即时通讯系统 ： 使用 Netty 我们可以实现一个可以聊天类似微信的即时通讯系统，这方面的开源项目还蛮多的，可以自行去 Github 找一找。
• 实现消息推送系统 ：市面上有很多消息推送系统都是基于 Netty 来做的。

Netty 核心组件有哪些？分别有什么作用？

• channel：Channel 接口是 Netty 对网络操作抽象类，它除了包括基本的 I/O 操作，如bind()、connect()、read()、write() 等。比较常用的Channel接口实现类是，NioServerSocketChannel（服务端）和NioSocketChannel（客户端），这两个 Channel 可以和 BIO 编程模型中的ServerSocket以及Socket两个概念对应上。Netty 的 Channel 接口所提供的 API，大大地降低了直接使用 Socket 类的复杂性。
• EventLoop:EventLoop 的主要作用实际就是负责监听网络事件并调用事件处理器进行相关 I/O 操作的处理。
• ChannelFuture:Netty 是异步非阻塞的，所有的 I/O 操作都为异步的。因此，我们不能立刻得到操作是否执行成功，但是，你可以通过 ChannelFuture 接口的 addListener() 方法注册一个 ChannelFutureListener，当操作执行成功或者失败时，监听就会自动触发返回结果。
• ChannelHandler和channelpipline:ChannelHandler 是消息的具体处理器。他负责处理读写操作、客户端连接等事情。ChannelPipeline 为 ChannelHandler 的链，提供了一个容器并定义了用于沿着链传播入站和出站事件流的 API 。当 Channel 被创建时，它会被自动地分配到它专属的 ChannelPipeline。我们可以在 ChannelPipeline 上通过 addLast() 方法添加一个或者多个ChannelHandler ，因为一个数据或者事件可能会被多个 Handler 处理。当一个 ChannelHandler 处理完之后就将数据交给下一个 ChannelHandler 。

那 Channel 和 EventLoop 直接有啥联系呢？

Channel 为 Netty 网络操作(读写等操作)抽象类，EventLoop 负责处理注册到其上的Channel 处理 I/O 操作，两者配合参与 I/O 操作。

EventLoop。那你再说说 EventloopGroup的关系？

EventLoopGroup 包含多个 EventLoop（每一个 EventLoop 通常内部包含一个线程），上面我们已经说了 EventLoop 的主要作用实际就是负责监听网络事件并调用事件处理器进行相关 I/O 操作的处理。

并且 EventLoop 处理的 I/O 事件都将在它专有的 Thread 上被处理，即 Thread 和 EventLoop 属于 1 : 1 的关系，从而保证线程安全。

上图是一个服务端对 EventLoopGroup 使用的大致模块图，其中 Boss EventloopGroup 用于接收连接，Worker EventloopGroup 用于具体的处理（消息的读写以及其他逻辑处理）。

从上图可以看出： 当客户端通过 connect 方法连接服务端时，bossGroup 处理客户端连接请求。当客户端处理完成后，会将这个连接提交给 workerGroup 来处理，然后 workerGroup 负责处理其 IO 相关操作。

Bootstrap 和 ServerBootstrap的原理和关系？

Bootstrap 是客户端的启动引导类/辅助类，具体使用方法如下：

EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
try {
     //创建客户端启动引导/辅助类：Bootstrap
     Bootstrap b = new Bootstrap();
     //指定线程模型
     b.group(group).
     ......
     // 尝试建立连接
     ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
     f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
     // 优雅关闭相关线程组资源
     group.shutdownGracefully();
}

ServerBootstrap 客户端的启动引导类/辅助类，具体使用方法如下：

// 1.bossGroup 用于接收连接，workerGroup 用于具体的处理
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
    //2.创建服务端启动引导/辅助类：ServerBootstrap
    ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
    //3.给引导类配置两大线程组,确定了线程模型
    b.group(bossGroup, workerGroup).
    ......
    // 6.绑定端口
    ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
    // 等待连接关闭
    f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
    //7.优雅关闭相关线程组资源
    bossGroup.shutdownGracefully();
    workerGroup.shutdownGracefully();
   }
}

从上面的示例中，我们可以看出：

1. Bootstrap 通常使用 connet() 方法连接到远程的主机和端口，作为一个 Netty TCP 协议通信中的客户端。另外，Bootstrap 也可以通过 bind() 方法绑定本地的一个端口，作为 UDP 协议通信中的一端。
2. ServerBootstrap通常使用 bind() 方法绑定本地的端口上，然后等待客户端的连接。
3. Bootstrap 只需要配置一个线程组— EventLoopGroup ,而 ServerBootstrap需要配置两个线程组— EventLoopGroup ，一个用于接收连接，一个用于具体的处理。

NioEventLoopGroup 默认的构造函数会起多少线程呢？

// 1.bossGroup 用于接收连接，workerGroup 用于具体的处理
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(30);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

// 从1，系统属性，CPU核心数*2 这三个值中取出一个最大的
//可以得出 DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS 的值为CPU核心数*2
    private static final int DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS = Math.max(1, SystemPropertyUtil.getInt("io.netty.eventLoopThreads", NettyRuntime.availableProcessors() * 2));

// 被调用的父类构造函数，NioEventLoopGroup 默认的构造函数会起多少线程的秘密所在
// 当指定的线程数nThreads为0时，使用默认的线程数DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS
    protected MultithreadEventLoopGroup(int nThreads, ThreadFactory threadFactory, Object... args) {
        super(nThreads == 0 ? DEFAULT_EVENT_LOOP_THREADS : nThreads, threadFactory, args);
    }

我们发现 NioEventLoopGroup 默认的构造函数实际会起的线程数为 **CPU核心数*2**。

另外，如果你继续深入下去看构造函数的话，你会发现每个NioEventLoopGroup对象内部都会分配一组NioEventLoop，其大小是 nThreads, 这样就构成了一个线程池， 一个NIOEventLoop 和一个线程相对应，这和我们上面说的 EventloopGroup 和 EventLoop关系这部分内容相对应。

说一下Netty 线程模型吧？

大部分网络框架都是基于 Reactor 模式设计开发的。Reactor 模式基于事件驱动，采用多路复用将事件分发给相应的 Handler 处理，非常适合处理海量 IO 的场景。在 Netty 主要靠 NioEventLoopGroup 线程池来实现具体的线程模型的 。我们实现服务端的时候，一般会初始化两个线程组：

1. bossGroup :接收连接。
2. workerGroup ：负责具体的处理，交由对应的 Handler 处理。

1单线程模型

一个线程需要执行处理所有的 accept、read、decode、process、encode、send 事件。对于高负载、高并发，并且对性能要求比较高的场景不适用。对应到 Netty 代码是下面这样的

//1.eventGroup既用于处理客户端连接，又负责具体的处理。
EventLoopGroup eventGroup = new NioEventLoopGroup(1);
//2.创建服务端启动引导/辅助类：ServerBootstrap
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
boobtstrap.group(eventGroup, eventGroup)
//......

2多线程模型

一个 Acceptor 线程只负责监听客户端的连接，一个 NIO 线程池负责具体处理： accept、read、decode、process、encode、send 事件。满足绝大部分应用场景，并发连接量不大的时候没啥问题，但是遇到并发连接大的时候就可能会出现问题，成为性能瓶颈。对应 Netty 代码下面这样的：

// 1.bossGroup 用于接收连接，workerGroup 用于具体的处理
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
  //2.创建服务端启动引导/辅助类：ServerBootstrap
  ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
  //3.给引导类配置两大线程组,确定了线程模型
  b.group(bossGroup, workerGroup)
    //......

3主从多线程模型

从一个 主线程 NIO 线程池中选择一个线程作为 Acceptor 线程，绑定监听端口，接收客户端连接的连接，其他线程负责后续的接入认证等工作。连接建立完成后，Sub NIO 线程池负责具体处理 I/O 读写。如果多线程模型无法满足你的需求的时候，可以考虑使用主从多线程模型 。

// 1.bossGroup 用于接收连接，workerGroup 用于具体的处理
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
  //2.创建服务端启动引导/辅助类：ServerBootstrap
  ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
  //3.给引导类配置两大线程组,确定了线程模型
  b.group(bossGroup, workerGroup)
    //......

netty服务端的启动原理？ 客户端实现原理

        // 1.bossGroup 用于接收连接，workerGroup 用于具体的处理
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //2.创建服务端启动引导/辅助类：ServerBootstrap
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            //3.给引导类配置两大线程组,确定了线程模型
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    // (非必备)打印日志
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    // 4.指定 IO 模型
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new ChannelInitializer() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) {
                            ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                            //5.可以自定义客户端消息的业务处理逻辑
                            p.addLast(new HelloServerHandler());
                        }
                    });
            // 6.绑定端口,调用 sync 方法阻塞知道绑定完成
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            // 7.阻塞等待直到服务器Channel关闭(closeFuture()方法获取Channel 的CloseFuture对象,然后调用sync()方法)
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //8.优雅关闭相关线程组资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }

简单解析一下服务端的创建过程具体是怎样的：

1.首先你创建了两个 NioEventLoopGroup 对象实例：bossGroup 和 workerGroup。

• bossGroup : 用于处理客户端的 TCP 连接请求。
• workerGroup ： 负责每一条连接的具体读写数据的处理逻辑，真正负责 I/O 读写操作，交由对应的 Handler 处理。

举个例子：我们把公司的老板当做 bossGroup，员工当做 workerGroup，bossGroup 在外面接完活之后，扔给 workerGroup 去处理。一般情况下我们会指定 bossGroup 的 线程数为 1（并发连接量不大的时候） ，workGroup 的线程数量为 CPU 核心数 *2 。另外，根据源码来看，使用 NioEventLoopGroup 类的无参构造函数设置线程数量的默认值就是 CPU 核心数 *2 。

2.接下来 我们创建了一个服务端启动引导/辅助类： ServerBootstrap，这个类将引导我们进行服务端的启动工作。

3.通过 .group() 方法给引导类 ServerBootstrap 配置两大线程组，确定了线程模型。

通过下面的代码，我们实际配置的是多线程模型，这个在上面提到过。

    EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
    EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

4.通过channel()方法给引导类 ServerBootstrap指定了 IO 模型为NIO

• NioServerSocketChannel ：指定服务端的 IO 模型为 NIO，与 BIO 编程模型中的ServerSocket对应

• NioSocketChannel : 指定客户端的 IO 模型为 NIO， 与 BIO 编程模型中的Socket对应

5.通过 .childHandler()给引导类创建一个ChannelInitializer ，然后指定了服务端消息的业务处理逻辑 HelloServerHandler 对象

6.调用 ServerBootstrap 类的 bind()方法绑定端口

客户端实现原理

        //1.创建一个 NioEventLoopGroup 对象实例
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //2.创建客户端启动引导/辅助类：Bootstrap
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            //3.指定线程组
            b.group(group)
                    //4.指定 IO 模型
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new ChannelInitializer() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                            // 5.这里可以自定义消息的业务处理逻辑
                            p.addLast(new HelloClientHandler(message));
                        }
                    });
            // 6.尝试建立连接
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
            // 7.等待连接关闭（阻塞，直到Channel关闭）
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }

继续分析一下客户端的创建流程：

1.创建一个 NioEventLoopGroup 对象实例

2.创建客户端启动的引导类是 Bootstrap

3.通过 .group() 方法给引导类 Bootstrap 配置一个线程组

4.通过channel()方法给引导类 Bootstrap指定了 IO 模型为NIO

5.通过 .childHandler()给引导类创建一个ChannelInitializer ，然后指定了客户端消息的业务处理逻辑 HelloClientHandler 对象

6.调用 Bootstrap 类的 connect()方法进行连接，这个方法需要指定两个参数：

• inetHost : ip 地址
• inetPort : 端口号

什么是 TCP 粘包/拆包?netty是怎么解决的？

TCP 粘包/拆包 就是你基于 TCP 发送数据的时候，出现了多个字符串“粘”在了一起或者一个字符串被“拆”开的问题。比如你多次发送：“你好,你真帅啊！哥哥！”，但是客户端接收到的可能是下面这样的

1使用 Netty 自带的解码器

• LineBasedFrameDecoder : 发送端发送数据包的时候，每个数据包之间以换行符作为分隔，LineBasedFrameDecoder 的工作原理是它依次遍历 ByteBuf 中的可读字节，判断是否有换行符，然后进行相应的截取。
• DelimiterBasedFrameDecoder : 可以自定义分隔符解码器，**LineBasedFrameDecoder** 实际上是一种特殊的 DelimiterBasedFrameDecoder 解码器。
• FixedLengthFrameDecoder: 固定长度解码器，它能够按照指定的长度对消息进行相应的拆包。
• **LengthFieldBasedFrameDecoder**：

2.自定义序列化编解码器

在 Java 中自带的有实现 Serializable 接口来实现序列化，但由于它性能、安全性等原因一般情况下是不会被使用到的。

通常情况下，我们使用 Protostuff、Hessian2、json 序列方式比较多，另外还有一些序列化性能非常好的序列化方式也是很好的选择：

• 专门针对 Java 语言的：Kryo，FST 等等
• 跨语言的：Protostuff（基于 protobuf 发展而来），ProtoBuf，Thrift，Avro，MsgPack 等等

TCP 长连接和短连接了解么？

我们知道 TCP 在进行读写之前，server 与 client 之间必须提前建立一个连接。建立连接的过程，需要我们常说的三次握手，释放/关闭连接的话需要四次挥手。这个过程是比较消耗网络资源并且有时间延迟的。

短连接

说的就是 server 端 与 client 端建立连接之后，读写完成之后就关闭掉连接，如果下一次再要互相发送消息，就要重新连接。短连接的有点很明显，就是管理和实现都比较简单，缺点也很明显，每一次的读写都要建立连接必然会带来大量网络资源的消耗，并且连接的建立也需要耗费时间。

长连接

说的就是 client 向 server 双方建立连接之后，即使 client 与 server 完成一次读写，它们之间的连接并不会主动关闭，后续的读写操作会继续使用这个连接。长连接的可以省去较多的 TCP 建立和关闭的操作，降低对网络资源的依赖，节约时间。对于频繁请求资源的客户来说，非常适用长连接。

为什么需要心跳机制？Netty 中心跳机制了解么？

在 TCP 保持长连接的过程中，可能会出现断网等网络异常出现，异常发生的时候， client 与 server 之间如果没有交互的话，它们是无法发现对方已经掉线的。为了解决这个问题, 我们就需要引入 心跳机制 。

心跳机制的工作原理是: 在 client 与 server 之间在一定时间内没有数据交互时, 即处于 idle 状态时, 客户端或服务器就会发送一个特殊的数据包给对方, 当接收方收到这个数据报文后, 也立即发送一个特殊的数据报文, 回应发送方, 此即一个 PING-PONG 交互。所以, 当某一端收到心跳消息后, 就知道了对方仍然在线, 这就确保 TCP 连接的有效性.

TCP 实际上自带的就有长连接选项，本身是也有心跳包机制，也就是 TCP 的选项：SO_KEEPALIVE。 但是，TCP 协议层面的长连接灵活性不够。所以，一般情况下我们都是在应用层协议上实现自定义心跳机制的，也就是在 Netty 层面通过编码实现。通过 Netty 实现心跳机制的话，核心类是 IdleStateHandler 。

什么是DMA拷贝

DMA(DirectMemoryAccess，直接内存存取)，由CPU向DMA磁盘控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给 CPU，从而减轻了CPU资源的占有率。

从 Linux 内核 2.4 版本开始起，对于支持网卡支持 SG-DMA 技术的情况下， sendfile() 系统调用的过程发生了点变化，具体过程如下

• 第一步，通过 DMA 将磁盘上的数据拷贝到内核缓冲区里；
• 第二步，缓冲区描述符和数据长度传到 socket 缓冲区，这样网卡的 SG-DMA 控制器就可以直接将内核缓存中的数据拷贝到网卡的缓冲区里，此过程不需要将数据从操作系统内核缓冲区拷贝到 socket 缓冲区中，这样就减少了一次数据拷贝；

什么是优化 mmap，什么是sendlFile优化 ，这个两者的区别是什么？ mmap

mmap的原理：将用户态缓存空间和内核态缓存空间做一个映射，如此程序在用户态就可以直接操作并使用内核缓存空间的数据。

1. 程序调用系统方法mmap，使用DMA的方式将磁盘数据读取到内核缓冲区，然后通过内存映射的方式，将用户缓冲区映射到内核读缓冲区的内存地址，此处不再需要将内核空间的数据拷贝到用户空间；
2. 依然调用write方法将用户空间的数据拷贝到socket buffer，同时使用DMA将数据拷贝到硬件；

sendfile

Linux2.1版本提供了sendFile函数，其基本原理如下：数据根本不经过用户态，直接从内核缓冲区进入socket buffer。同时，由于和用户态完全无关，就减少了一次CPU拷贝。

• 使用DMA的方式将磁盘数据读取到内核缓冲区；
• CPU拷贝数据到socket buffer，然后使用DMA将数据拷贝到硬件。

升级版sendfile

Linux2.4版本sendFile做了一些优化，避免了从内核缓冲区拷贝到socket buffer的操作，直接拷贝到协议栈，从而再一次减少数据拷贝。（其实这里是有一次CPU拷贝的，从kernel buffer-> socket buffer，但是拷贝信息很少，消耗低，可以忽略）

mmap和sendFile的区别

1. mmap适合小数据量读写，sendFile适合大文件传输；
2. mmap需要4次上下文切换，3次数据拷贝；sendfile需要2次上下文切换，近2次数据拷贝；
3. 使用mmap的时候，可以对数据做修改操作，而sendfile不行；

在liunx 在使用 transferto 方式可以完成传输 在window 下调用时候只能发送8M 如果大于时候就是需要分段进行传输文件

什么是零拷贝？在kafka中有零拷贝那原理是什么，有什么不同吗？

具体的原因在这个博文中有详细的解答：Netty——网络编程基础概念与原理_庄小焱-CSDN博客

在 OS 层面上的 Zero-copy 通常指避免在 用户态(User-space) 与 内核态(Kernel-space) 之间来回拷贝数据。而在 Netty 层面 ，零拷贝主要体现在对于数据操作的优化。

Netty 中的零拷贝体现在以下几个方面

1. 使用 Netty 提供的 CompositeByteBuf 类, 可以将多个ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf, 避免了各个 ByteBuf 之间的拷贝。
2. ByteBuf 支持 slice 操作, 因此可以将 ByteBuf 分解为多个共享同一个存储区域的 ByteBuf, 避免了内存的拷贝。
3. 通过 FileRegion 包装的FileChannel.tranferTo 实现文件传输, 可以直接将文件缓冲区的数据发送到目标 Channel, 避免了传统通过循环 write 方式导致的内存拷贝问题.

Netty的序列化原理？了解哪几种序列化协议？如何选择序列化协议？

IdleStateHandler 类有错误？原因是什么？