【博客大赛】Netty面试灵魂15问
写在之前
Netty有很多不错的考察点，今天就来总结一下常见的 Netty 面试题，面试题主要来自于牛客网网友分享的面经，答案为自己参考《Netty实战》及众多资料，避免闭门造车。
由于 Netty 知识可考察的点比较多，本文主要针对于 Netty 基础提出15连问，基本上都是面试常考题目。
准备发车
1. Netty 是什么
Netty 是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速地开发可维护的高性能的面向协议的服务器 和客户端。
2. 为什么要使用Netty？
这个问题也有其他的问法，比如原生NIO有什么问题呢。
NIO的类库和API繁杂，使用麻烦：需要熟练掌握Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。需要具备其他的额外技能：要熟悉 Java 多线程编程，因为 NIO 编程涉及到
Reactor模式，你必须对多线程和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序。开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。
JDK NIO的Bug：例如臭名昭著的Epoll Bug，它会导致Selector空轮询，最终导致CPU 100%。直到JDK 1.7版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。
3. Netty有什么优点
主要从以下几个方面展开回答。
设计：
- 统一的 API，支持多种传输类型，阻塞的和非阻塞的
- 简单而强大的线程模型
- 真正的无连接数据报套接字支持
- 链接逻辑组件以支持复用
易用性：
- 详实的
Javadoc和大量的示例集
性能：
- 拥有比
Java的核心API更高的吞吐量以及更低的延迟 - 得益于池化和复用，拥有更低的资源消耗
- 最少的内存复制
健壮性：
- 不会因为慢速、快速或者超载的连接而导致
OutOfMemoryError - 消除在高速网络中
NIO应用程序常见的不公平读/写比率
安全性：
- 完整的
SSL/TLS以及StartTLS支持 - 可用于受限环境下，如
Applet和OSGI
4. netty高性能主要依赖了哪些特性
- 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。
5. 为什么BIO比NIO性能差？简单讲讲区别
BIO：服务器实现模式为一个连接一个线程，即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，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销。
传统IO的缺点：
第一，在任何 时候都可能有大量的线程处于休眠状态，只是等待输 入或者输出数据就绪，这可能算是一种资源浪费
第 二，需要为每个线程的调用栈都分配内存，其默认值 大小区间为 64 KB 到 1 MB，具体取决于操作系统
第 三，即使 Java 虚拟机(JVM)在物理上可以支持非常大数量的线程，但是远在到达该极限之前，上下文切换所带来的开销就会带来麻烦
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，相对于BIO来说比较灵活。
6. 简单说下 BIO、NIO 和 AIO区别
概念本质不同
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。
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。
底层实现区别
BIO以流的方式处理数据,而NIO以块的方式处理数据,块I/O的效率比流I/O高很多BIO是阻塞的，NIO则是非阻塞的BIO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel(通道)和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道
7. 说说NIO的主要组成
1、Buffer
一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象（含数组），该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。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。
2、Channel
NIO的通道类似于流，但有些区别
- 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写
- 通道可以实现异步读写数据
- 通道可以从缓存读数据，也可以写数据到缓存
channel与Buffer关系
3、Selector
能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。
8. 说说对于Netty的零拷贝理解
什么是零拷贝？
从操作系统的角度来看，文件的传输不存在CPU的拷贝，只存在DMA拷贝（直接内存拷贝，不使用CPU完成）。零拷贝是网络编程的关键，很多性能优化都离不开它。
Netty对于零拷贝方式
Netty的接收和发送ByteBuffer采用DIRECT BUFFERS，使用堆外直接内存进行 Socket 读写，不需要进行字节缓冲区的二次拷贝。如果使用传统的堆内存（HEAP BUFFERS）进行 Socket 读写，JVM会将堆内存Buffer拷贝一份到直接内存中，然后才写入Socket中。相比于堆外直接内存，消息在发送过程中多了一次缓冲区的内存拷贝。Netty提供了组合Buffer对象，可以聚合多个ByteBuffer对象，用户可以像操作一个Buffer那样方便的对组合Buffer进行操作，避免了传统通过内存拷贝的方式将几个小Buffer合并成一个大的Buffer。Netty的文件传输采用了transferTo方法，它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。
9. 说说Netty线程模型
Netty线程模型主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进，其中主从Reactor多线程模型有多个 Reactor。
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连接事件，当接收到连接事件的请求时，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。
其本质将线程连接和具体的业务处理区分开来。
10. Netty中有哪些重要组件
1、Bootstrap、ServerBootstrap：一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。
2、Future、ChannelFuture：Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。
3、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
4、Selector：基于 Selector 对象实现I/O多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel是否有已就绪的I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等）
5、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。
6、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
7、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。
8、ChannelHandlerContext：包 含 一 个 具 体 的 事 件 处 理 器 ChannelHandler ， 同 时ChannelHandlerContext 中也绑定了对应的 pipeline 和 Channel 的信息，方便对 ChannelHandler进行调用。
11. 说说什么是拆包和粘包
TCP 是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。
收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发给接收端的包，更有效的发给对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样做虽然提高了效率，但是接收端就难于分辨出完整的数据包了，由于TCP无消息保护边界，需要在接收端处理消息边界问题。这就是拆包和粘包问题。
比如：
拆包和粘包图解
假设客户端同时发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到字节数是不确定的，固可能存在以下四种情况：
- 服务端分两次读取到了两个独立的数据包，分别是 D1 和 D2 ，没有粘包和拆包
- 服务端一次接受到了两个数据包，D1 和 D2 粘合在一起，称之为 TCP 粘包
- 服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了完整的 D1 包和 D2 包的部分内容，第二次读取到了 D2 包的剩余内容，这称之为 TCP 拆包
- 服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了 D1 包的部分内容 D1_1 ，第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2包。
12. Netty如何解决拆包和粘包问题
主要思路：在数据包的前面加上一个固定字节数的数据长度，如加上一个 int（固定四个字节）类型的数据内容长度。
就算客户端同时发送两个数据包到服务端，当服务端接受时，也可以先读取四个字节的长度，然后根据长度获取消息的内容，这样就不会出现多读取或者少读取的情况了。
Netty解决拆包和粘包问题示意图
13. Netty主要采用了哪种设计模式
Netty中利用到了众多的设计模式，有很多常见的设计模式，比如观察者模式、策略模式（在初始化 EventLoopGroup 时选择何种 DefaultEventExecutorChooserFactor-newChooser 时使用了），但是使用的最多的还是属于责任链模式，pipeline 就像一个责任链，ChannelHandler 就是其中处理逻辑的节点，通过自定义 Handler 来决定每个业务的执行逻辑。
14. 说说netty中的责任链设计模式
netty的 pipeline 设计,就采用了责任链设计模式，底层采用双向链表的数据结构，将链上的各个处理器（Handler）串联起来。
客户端每一个请求的到来，netty 认为，pipeline 中的所有的处理器都有机会处理它，因此，对于入栈的请求，全部从头节点开始往后传播，一直传播到尾节点。
开发者可以自主的删除或者添加责任链中的某个节点。
15. Netty 是如何保持长连接的
什么是长连接？
客户端和服务器之间定期发送的一种特殊的数据包，通知对方自己还在线, 以确保 TCP 连接的有效性。但是由于网络不稳定性，有可能在 TCP 保持长连接的过程中，由于某些突发情况， 例如网线被拔出， 突然掉电等。 会造成服务器和客户端的连接中断。在这些突发情况下, 如果恰好服务器和客户端之间没有交互的话，那么它们是不能在短时间内发现对方已经掉线的。
如何保持长连接？
利用心跳维护长连接信息。
在服务器和客户端之间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。
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。
Netty有三种类型保持心跳类型
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。
总结
针对于 Netty ，本身利用比较广泛，比如国内流行的 RPC 框架 Dubbo ，由于开发者本身无须深入了解其原理就可以很好的进行业务开发，因此许多人对于Netty了解甚少，但是想要了解一些进阶的 Java 编程，Netty 是一个不错的学习框架，本篇文章结合面试题开发，整体串起 Netty 的核心知识。
