Netty-面试题

Netty 面试题

1 Netty是什么

面试官 ：介绍一下自己对 Netty 的认识吧！

我 ：好的！那我就简单用 3 点来概括一下 Netty 吧！

1. Netty 基于 NIO （NIO 是一种同步非阻塞的 I/O 模型，在 Java 1.4 中引入了 NIO ）。使用 Netty 可以极大地简化并简化了 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都非常优秀。
2. 我们平常经常接触的 Dubbo、RocketMQ、Elasticsearch、gRPC、Spark、Elasticsearch 等等热门开源项目都用到了 Netty。
3. 大部分微服务框架底层涉及到网络通信的部分都是基于 Netty 来做的，比如说 Spring Cloud 生态系统中的网关 Spring Cloud Gateway。
4. 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。

2 为什么要用 Netty？

面试官 ：为什么要用 Netty 呢？能不能说一下自己的看法。

我： 因为 Netty 具有下面这些优点，并且相比于直接使用 JDK 自带的 NIO 相关的 API 来说更加易用。

• 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。

3 Netty 的特点是什么？

高并发：Netty 是一款基于 NIO（Nonblocking IO，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于 BIO（Blocking I/O，阻塞IO），他的并发性能得到了很大提高。 传输快：Netty 的传输依赖于零拷贝特性，尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。 封装好：Netty 封装了 NIO 操作的很多细节，提供了易于使用调用接口。

4 Netty 的优势有哪些？

• 使用简单：封装了 NIO 的很多细节，使用更简单。
• 功能强大：预置了多种编解码功能，支持多种主流协议。
• 定制能力强：可以通过 ChannelHandler 对通信框架进行灵活地扩展。
• 性能高：通过与其他业界主流的 NIO 框架对比，Netty 的综合性能最优。
• 稳定：Netty 修复了已经发现的所有 NIO 的 bug，让开发人员可以专注于业务本身。
• 社区活跃：Netty 是活跃的开源项目，版本迭代周期短，bug 修复速度快。

5 Netty 高性能表现在哪些方面？

• IO 线程模型：同步非阻塞，用最少的资源做更多的事。
• 内存零拷贝：尽量减少不必要的内存拷贝，实现了更高效率的传输。
• 内存池设计：申请的内存可以重用，主要指直接内存。内部实现是用一颗二叉查找树管理内存分配情况。
• 串形化处理读写：避免使用锁带来的性能开销。
• 高性能序列化协议：支持 protobuf 等高性能序列化协议。

6 BIO、NIO 和 AIO

面试官 ：先来简单介绍一下 BIO,NIO和AIO 3者的区别吧！

我： 好的，我下面分别介绍这些。

• BIO：一个连接一个线程，客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。线程开销大。 伪异步IO：将请求连接放入线程池，一对多，但线程还是很宝贵的资源。

• NIO：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：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，

• BIO是面向流的，NIO是面向缓冲区的；BIO的各种流是阻塞的。而NIO是非阻塞的；BIO的Stream是单向的，而NIO的channel是双向的。

• NIO的特点：事件驱动模型、单线程处理多任务、非阻塞I/O，I/O读写不再阻塞，而是返回0、基于block的传输比基于流的传输更高效、更高级的IO函数zero-copy、IO多路复用大大提高了Java网络应用的可伸缩性和实用性。基于Reactor线程模型。 在Reactor模式中，事件分发器等待某个事件或者可应用或个操作的状态发生，事件分发器就把这个事件传给事先注册的事件处理函数或者回调函数，由后者来做实际的读写操作。如在Reactor中实现读：注册读就绪事件和相应的事件处理器、事件分发器等待事件、事件到来，激活分发器，分发器调用事件对应的处理器、事件处理器完成实际的读操作，处理读到的数据，注册新的事件，然后返还控制权。

7 NIO 的组成

面试官 ：讲讲NIO都有哪些部分组成！

我： 好的。

Buffer：与Channel进行交互，数据是从Channel读入缓冲区，从缓冲区写入Channel中的

flip方法 ： 反转此缓冲区，将position给limit，然后将position置为0，其实就是切换读写模式

clear方法 ：清除此缓冲区，将position置为0，把capacity的值给limit。

rewind方法 ： 重绕此缓冲区，将position置为0

DirectByteBuffer可减少一次系统空间到用户空间的拷贝。但Buffer创建和销毁的成本更高，不可控，通常会用内存池来提高性能。直接缓冲区主要分配给那些易受基础系统的本机I/O 操作影响的大型、持久的缓冲区。如果数据量比较小的中小应用情况下，可以考虑使用heapBuffer，由JVM进行管理。

Channel：表示 IO 源与目标打开的连接，是双向的，但不能直接访问数据，只能与Buffer 进行交互。通过源码可知，FileChannel的read方法和write方法都导致数据复制了两次！

Selector可使一个单独的线程管理多个Channel，open方法可创建Selector，register方法向多路复用器器注册通道，可以监听的事件类型：读、写、连接、accept。注册事件后会产生一个SelectionKey：它表示SelectableChannel 和Selector 之间的注册关系，wakeup方法：使尚未返回的第一个选择操作立即返回，唤醒的

原因是：注册了新的channel或者事件；channel关闭，取消注册；优先级更高的事件触发（如定时器事件），希望及时处理。

Selector在Linux的实现类是EPollSelectorImpl，委托给EPollArrayWrapper实现，其中三个native方法是对epoll的封装，而EPollSelectorImpl. implRegister方法，通过调用epoll_ctl向epoll实例中注册事件，还将注册的文件描述符(fd)与SelectionKey的对应关系添加到fdToKey中，这个map维护了文件描述符与SelectionKey的映射。

fdToKey有时会变得非常大，因为注册到Selector上的Channel非常多（百万连接）；过期或失效的Channel没有及时关闭。fdToKey总是串行读取的，而读取是在select方法中进行的，该方法是非线程安全的。

Pipe：两个线程之间的单向数据连接，数据会被写到sink通道，从source通道读取

NIO的服务端建立过程：Selector.open()：打开一个Selector；ServerSocketChannel.open()：创建服务端的Channel；bind()：绑定到某个端口上。并配置非阻塞模式；register()：注册Channel和关注的事件到Selector上；select()轮询拿到已经就绪的事件

8 Netty的线程模型？

Netty通过Reactor模型基于多路复用器接收并处理用户请求，内部实现了两个线程池，boss线程池和work线程池，其中boss线程池的线程负责处理请求的accept事件，当接收到accept事件的请求时，把对应的socket封装到一个NioSocketChannel中，并交给work线程池，其中work线程池负责请求的read和write事件，由对应的Handler处理。

单线程模型：所有I/O操作都由一个线程完成，即多路复用、事件分发和处理都是在一个Reactor线程上完成的。既要接收客户端的连接请求,向服务端发起连接，又要发送/读取请求或应答/响应消息。一个NIO 线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，速度慢，若线程进入死循环，整个程序不可用，对于高负载、大并发的应用场景不合适。

多线程模型：有一个NIO 线程（Acceptor） 只负责监听服务端，接收客户端的TCP 连接请求；NIO 线程池负责网络IO 的操作，即消息的读取、解码、编码和发送；1 个NIO 线程可以同时处理N 条链路，但是1 个链路只对应1 个NIO 线程，这是为了防止发生并发操作问题。但在并发百万客户端连接或需要安全认证时，一个Acceptor 线程可能会存在性能不足问题。

主从多线程模型：Acceptor 线程用于绑定监听端口，接收客户端连接，将SocketChannel 从主线程池的Reactor 线程的多路复用器上移除，重新注册到Sub 线程池的线程上，用于处理I/O 的读写等操作，从而保证mainReactor只负责接入认证、握手等操作；

9 Netty 应用场景了解么？

面试官 ：能不能通俗地说一下使用 Netty 可以做什么事情？

我 ：凭借自己的了解，简单说一下吧！理论上来说，NIO 可以做的事情 ，使用 Netty 都可以做并且更好。Netty 主要用来做网络通信 :

1. 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！
2. 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。
3. 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。
4. 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。

10 Netty 中有哪种重要组件？

• Channel：Netty 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。
• EventLoop：主要是配合 Channel 处理 I/O 操作，用来处理连接的生命周期中所发生的事情。
• ChannelFuture：Netty 框架中所有的 I/O 操作都为异步的，因此我们需要 ChannelFuture 的 addListener()注册一个 ChannelFutureListener 监听事件，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：充当了所有处理入站和出站数据的逻辑容器。ChannelHandler 主要用来处理各种事件，这里的事件很广泛，比如可以是连接、数据接收、异常、数据转换等。
• ChannelPipeline：为 ChannelHandler 链提供了容器，当 channel 创建时，就会被自动分配到它专属的 ChannelPipeline，这个关联是永久性的。

11 什么是 TCP 粘包/拆包?有什么解决办法呢？

‍面试官 ：什么是 TCP 粘包/拆包?

我 ：TCP 是以流的方式来处理数据，一个完整的包可能会被 TCP 拆分成多个包进行发送，也可能把小的封装成一个大的数据包发送。 TCP 粘包/分包的原因: 应用程序写入的字节大小大于套接字发送缓冲区的大小，会发生拆包现象，而应用程序写 入数据小于套接字缓冲区大小，网卡将应用多次写入的数据发送到网络上，这将会发生粘包现象; 进行 MSS 大小的 TCP 分段，当 TCP 报文长度-TCP 头部长度>MSS 的时候将发生拆包 以太网帧的 payload(净荷)大于 MTU(1500 字节)进行 ip 分片。 解决方法

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：

12 Netty 长连接、心跳机制了解么？

面试官 ：TCP 长连接和短连接了解么？

我 ：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。

所谓，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。短连接的优点很明显，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。

面试官 ：为什么需要心跳机制？Netty 中心跳机制了解么？

我 ：

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，他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信跳机制的，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 。

13 Netty 的零拷贝了解么？

面试官 ：讲讲 Netty 的零拷贝？

我 ：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.

14 Netty 和 Tomcat 的区别？

作用不同：Tomcat 是 Servlet 容器，可以视为 Web 服务器，而 Netty 是异步事件驱动的网络应用程序框架和工具用于简化网络编程，例如TCP和UDP套接字服务器。 协议不同：Tomcat 是基于 http 协议的 Web 服务器，而 Netty 能通过编程自定义各种协议，因为 Netty 本身自己能编码/解码字节流，所有 Netty 可以实现，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。

15 Netty 发送消息有几种方式？

Netty 有两种发送消息的方式：

1. 直接写入 Channel 中，消息从 ChannelPipeline 当中尾部开始移动；
2. 写入和 ChannelHandler 绑定的 ChannelHandlerContext 中，消息从 ChannelPipeline 中的下一个 ChannelHandler 中移动。

16 Netty 支持哪些心跳类型设置？

readerIdleTime：为读超时时间（即测试端一定时间内未接受到被测试端消息）。 writerIdleTime：为写超时时间（即测试端一定时间内向被测试端发送消息）。 allIdleTime：所有类型的超时时间。