宜人贷蜂巢API网关技术解密之Netty使用实践

2021-02-08    分类： 网站建设

宜人贷蜂巢团队，由Michael创立于2013年，通过使用互联网科技手段助力金融生态和谐健康发展。自成立起一直致力于多维度数据闭环平台建设。目前团队规模超过百人，涵盖征信、

图1 - API网关项目框架

图中描绘了API网关系统的处理流程，以及与服务注册发现、日志分析、报警系统、各类爬虫的关系。其中API网关系统接收请求，对请求进行编解码、鉴权、限流、加解密，再基于Eureka服务注册发现模块，将请求发送到有效的服务节点上;网关及抓取系统的日志，会被收集到elk平台中，做业务分析及报警处理。

二、BIO vs NIO

API网关承载数倍于爬虫的流量，提升服务器的并发处理能力、缩短系统的响应时间，通信模型的选择是至关重要的，是选择BIO，还是NIO?

1. Streamvs Buffer & 阻塞 vs 非阻塞

BIO是面向流的，io的读写，每次只能处理一个或者多个bytes，如果数据没有读写完成，线程将一直等待于此，而不能暂时跳过io或者等待io读写完成异步通知，线程滞留在io读写上，不能充分利用机器有限的线程资源，造成server的吞吐量较低，见图2。而NIO与此不同，面向Buffer，线程不需要滞留在io读写上，采用操作系统的epoll模式，在io数据准备好了，才由线程来处理，见图3。

NioEvenrLoopGroup的创建，具体执行过程是执行类MultithreadEventExecutorGroup的构造方法：

  1. /**  
  2.  * Create a new instance.  
  3.  *  
  4.  * @param nThreads          the number of threads that will be used by this instance.  
  5.  * @param executor          the Executor to use, or {@code null} if the default should be used.  
  6.  * @param chooserFactory    the {@link EventExecutorChooserFactory} to use.  
  7.  * @param args              arguments which will passed to each {@link #newChild(Executor, Object...)} call  
  8.  */  
  9. protected MultithreadEventExecutorGroup(int nThreads, Executor executor,  
  10.                                         EventExecutorChooserFactory chooserFactory, Object... args) {  
  11.     if (nThreads <= 0) {  
  12.         throw new IllegalArgumentException(String.format("nThreads: %d (expected: > 0)", nThreads));  
  13.     }  
  14.     if (executor == null) {  
  15.         executor = new ThreadPerTaskExecutor(newDefaultThreadFactory());  
  16.     }  
  17.     children = new EventExecutor[nThreads];  
  18.     for (int i = 0; i < nThreads; i ++) {  
  19.         boolean success = false;  
  20.         try {  
  21.             children[i] = newChild(executor, args);  
  22.             success = true;  
  23.         } catch (Exception e) {   
  24.             throw new IllegalStateException("failed to create a child event loop", e);  
  25.         } finally {  
  26.             if (!success) {  
  27.                 for (int j = 0; j < i; j ++) {  
  28.                     children[j].shutdownGracefully();  
  29.                 }  
  30.                 for (int j = 0; j < i; j ++) { 
  31.                      EventExecutor e = children[j]; 
  32.                      try { 
  33.                          while (!e.isTerminated()) {  
  34.                             e.awaitTermination(Integer.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);  
  35.                         }  
  36.                     } catch (InterruptedException interrupted) {  
  37.                         // Let the caller handle the interruption.  
  38.                         Thread.currentThread().interrupt();  
  39.                         break;  
  40.                     }  
  41.                 }  
  42.             }  
  43.         }  
  44.     }  
  45.     chooser = chooserFactory.newChooser(children);  
  46.     final FutureListener<Object> terminationListener = new FutureListener<Object>() {  
  47.         @Override  
  48.         public void operationComplete(Future<Object> future) throws Exception {  
  49.             if (terminatedChildren.incrementAndGet() == children.length) {  
  50.                 terminationFuture.setSuccess(null);  
  51.             }  
  52.         }  
  53.     };  
  54.     for (EventExecutor e: children) {  
  55.         e.terminationFuture().addListener(terminationListener);  
  56.     }  
  57.     Set<EventExecutor> childrenSet = new LinkedHashSet<EventExecutor>(children.length);  
  58.     Collections.addAll(childrenSet, children);  
  59.     readonlyChildren = Collections.unmodifiableSet(childrenSet);  
  60. } 
    61. 其中，创建细节见下：
    • 线程池中的线程数nThreads必须大于0;
    • 如果executor为null，创建默认executor，executor用于创建线程(newChild方法使用executor对象);
    • 依次创建线程池中的每一个线程即NioEventLoop，如果其中有一个创建失败，将关闭之前创建的所有线程;
    • chooser为线程池选择器，用来选择下一个EventExecutor，可以理解为，用来选择一个线程来执行task。
    chooser的创建细节，见下：
    DefaultEventExecutorChooserFactory根据线程数创建具体的EventExecutorChooser，线程数如果等于2^n，可使用按位与替代取模运算，节省cpu的计算资源，见源码：
    1. @SuppressWarnings("unchecked")  
    2. @Override  
    3. public EventExecutorChooser newChooser(EventExecutor[] executors) {  
    4.     if (isPowerOfTwo(executors.length)) {  
    5.         return new PowerOfTowEventExecutorChooser(executors);  
    6.     } else {  
    7.         return new GenericEventExecutorChooser(executors);  
    8.     }  
    9. }   
    10.     private static final class PowerOfTowEventExecutorChooser implements EventExecutorChooser {  
    11.         private final AtomicInteger idx = new AtomicInteger();  
    12.         private final EventExecutor[] executors;   
    13.  
    14.         PowerOfTowEventExecutorChooser(EventExecutor[] executors) {  
    15.             this.executors = executors;  
    16.         }   
    17.  
    18.         @Override  
    19.         public EventExecutor next() {  
    20.             return executors[idx.getAndIncrement() & executors.length - 1];  
    21.         }  
    22.     }   
    23.  
    24.     private static final class GenericEventExecutorChooser implements EventExecutorChooser {  
    25.         private final AtomicInteger idx = new AtomicInteger();  
    26.         private final EventExecutor[] executors;   
    27.  
    28.         GenericEventExecutorChooser(EventExecutor[] executors) {  
    29.             this.executors = executors;  
    30.         }   
    31.  
    32.         @Override  
    33.         public EventExecutor next() {  
    34.             return executors[Math.abs(idx.getAndIncrement() % executors.length)];  
    35.         }  
    36.     } 
    newChild(executor, args)的创建细节，见下：
    MultithreadEventExecutorGroup的newChild方法是一个抽象方法，故使用NioEventLoopGroup的newChild方法，即调用NioEventLoop的构造函数：
    1. @Override  
    2.     protected EventLoop newChild(Executor executor, Object... args) throws Exception {  
    3.         return new NioEventLoop(this, executor, (SelectorProvider) args[0], 
    4.             ((SelectStrategyFactory) args[1]).newSelectStrategy(), (RejectedExecutionHandler) args[2]);  
    5.     } 
    在这里先看下NioEventLoop的类层次关系：
    创建任务队列tailTasks(内部为有界的LinkedBlockingQueue)：
    创建线程的任务队列taskQueue(内部为有界的LinkedBlockingQueue)，以及任务过多防止系统宕机的拒绝策略rejectedHandler。
    其中tailTasks和taskQueue均是任务队列，而优先级不同，taskQueue的优先级高于tailTasks，定时任务的优先级高于taskQueue。
    五、ServerBootstrap初始化及启动
    了解了Netty线程池NioEvenrLoopGroup的创建过程后，下面看下API网关服务ServerBootstrap的是如何使用线程池引入服务中，为高并发访问服务的。
    API网关ServerBootstrap初始化及启动代码，见下：
    1. serverBootstrap = new ServerBootstrap();  
    2. bossGroup = new NioEventLoopGroup(config.getBossGroupThreads());  
    3. workerGroup = new NioEventLoopGroup(config.getWorkerGroupThreads());   
    4.  
    5. serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class)  
    6.         .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, config.isTcpNoDelay())  
    7.         .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, config.getBacklogSize())  
    8.         .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, config.isSoKeepAlive())  
    9.         // Memory pooled  
    10.         .option(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT)  
    11.         .childOption(ChannelOption.ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT)  
    12.         .childHandler(channelInitializer);    
    13.  
    14. ChannelFuture future = serverBootstrap.bind(config.getPort()).sync();  
    15. log.info("API-gateway started on port: {}", config.getPort());  
    16. future.channel().closeFuture().sync(); 
    API网关系统使用netty自带的线程池，共有三组线程池，分别为bossGroup、workerGroup和executorGroup(使用在channelInitializer中，本文暂不作介绍)。其中，bossGroup用于接收客户端的TCP连接，workerGroup用于处理I/O、执行系统task和定时任务，executorGroup用于处理网关业务加解密、限流、路由，及将请求转发给后端的抓取服务等业务操作。
    六、Channel与线程池的绑定
    ServerBootstrap初始化后，通过调用bind(port)方法启动Server，bind的调用链如下：
    1. AbstractBootstrap.bind ->AbstractBootstrap.doBind -> AbstractBootstrap.initAndRegister 
    其中，ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);中的group()方法返回bossGroup，而channel在serverBootstrap的初始化过程指定channel为NioServerSocketChannel.class，至此将NioServerSocketChannel与bossGroup绑定到一起，bossGroup负责客户端连接的建立。那么NioSocketChannel是如何与workerGroup绑定到一起的?
    调用链AbstractBootstrap.initAndRegister -> AbstractBootstrap. init-> ServerBootstrap.init ->ServerBootstrapAcceptor.ServerBootstrapAcceptor ->ServerBootstrapAcceptor.channelRead：
    1. public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {  
    2.     final Channel child = (Channel) msg;  
    3.     child.pipeline().addLast(childHandler);  
    4.     for (Entry<ChannelOption<?>, Object> e: childOptions) {  
    5.         try {  
    6.             if (!child.config().setOption((ChannelOption<Object>) e.getKey(), e.getValue())) {  
    7.                 logger.warn("Unknown channel option: " + e);  
    8.             }  
    9.         } catch (Throwable t) {  
    10.             logger.warn("Failed to set a channel option: " + child, t); 
    11.         }  
    12.     }  
    13.     for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: childAttrs) {  
    14.         child.attr((AttributeKey<Object>) e.getKey()).set(e.getValue());  
    15.     } 
    16.  
    17.     try {  
    18.         childGroup.register(child).addListener(new ChannelFutureListener() {  
    19.             @Override  
    20.             public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {  
    21.                 if (!future.isSuccess()) { 
    22.                      forceClose(child, future.cause());  
    23.                 }  
    24.             }  
    25.         });  
    26.     } catch (Throwable t) {  
    27.         forceClose(child, t);  
    28.     }  
    29. } 
    其中，childGroup.register(child)就是将NioSocketChannel与workderGroup绑定到一起，那又是什么触发了ServerBootstrapAcceptor的channelRead方法?
    其实当一个 client 连接到 server 时，Java 底层的 NIO ServerSocketChannel 会有一个SelectionKey.OP_ACCEPT 就绪事件，接着就会调用到 NioServerSocketChannel.doReadMessages方法。
    1. @Override  
    2. protected int doReadMessages(List<Object> buf) throws Exception {  
    3.     SocketChannel ch = javaChannel().accept();  
    4.     try {  
    5.         if (ch != null) {  
    6.             buf.add(new NioSocketChannel(this, ch));  
    7.             return 1;  
    8.         }  
    9.     } catch (Throwable t) {          … 
    10.  
    11.     }  
    12.     return 0;  
    13. } 
    javaChannel().accept() 会获取到客户端新连接的SocketChannel，实例化为一个 NioSocketChannel, 并且传入 NioServerSocketChannel 对象(即 this)，由此可知, 我们创建的这个NioSocketChannel 的父 Channel 就是 NioServerSocketChannel 实例 。
    接下来就经由 Netty 的 ChannelPipeline 机制，将读取事件逐级发送到各个 handler 中，于是就会触发前面我们提到的 ServerBootstrapAcceptor.channelRead 方法啦。
    至此，分析了Netty线程池的初始化、ServerBootstrap的启动及channel与线程池的绑定过程，能够看出Netty中线程池的优雅设计，使用不同的线程池负责连接的建立、IO读写等，为API网关项目的高并发访问提供了技术基础。
    七、总结
    
                网站题目：宜人贷蜂巢API网关技术解密之Netty使用实践

    
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