升高系统的拍卖效能和出现品质

 

 

1. 背景

1.1. Java线程模型的产生

1.1.1. 单线程

岁月回到十几年前,这时主流的CPU都还是单核(除了商用高质量的小机),CPU的主导频率是机器最要害的目的之一。

在Java领域当时比较流行的是单线程编制程序,对于CPU密集型的应用程序来说,频仍的通过二十四线程进行合营和私吞时间片反而会收缩品质。

1.1.2. 多线程

趁着硬件质量的升高,CPU的核数越来越越多,比较多服务器标配已经达到规定的规范32或64核。通过多线程并发编制程序,能够丰盛利用多核CPU的拍卖手艺,提高系统的拍卖功效和产出质量。

从2006年上马,随着多核处理器的日渐推广,java的二十四线程并发编制程序也日益流行起来,当时商用主流的JDK版本是1.4,客户能够经过
new Thread()的法子创建新的线程。

出于JDK1.4并未提供类似线程池那样的线程管理容器,多线程之间的一块、同盟、成立和销毁等职业都亟需客商本人完成。由于成立和销毁线程是个相对相当的重量级的操作,由此,这种原来的多线程编制程序作用和品质都不高。

1.1.3. 线程池

为了升高Java多线程编制程序的频率和总体性,收缩客户支出难度。JDK1.5生产了java.util.concurrent并发编制程序包。在并发编制程序类库中,提供了线程池、线程安全容器、原子类等新的类库,非常大的升官了Java二十四线程编程的频率,收缩了费用难度。

从JDK1.5起来,基于线程池的面世编制程序已经化为Java多核编制程序的主流。

1.2. Reactor模型

不论C++如故Java编写的互联网框架,大多数都是依附Reactor情势展开设计和开垦,Reactor形式基于事件驱动,非常吻合管理海量的I/O事件。

1.2.1. 单线程模型

Reactor单线程模型,指的是持有的IO操作都在同三个NIO线程上面完结,NIO线程的天职如下:

1)作为NIO服务端,接收顾客端的TCP连接;

2)作为NIO客商端,向服务端发起TCP连接;

3)读取通讯对端的须要可能应答音信;

4)向通讯对端发送消息央求恐怕应答音讯。

Reactor单线程模型暗示图如下所示:

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图1-1 Reactor单线程模型

鉴于Reactor格局应用的是异步非阻塞IO,全体的IO操作都不会形成短路,理论上一个线程能够单独管理全数IO相关的操作。从架构层面看,叁个NIO线程确实可以产生其承担的职分。比方,通过Acceptor类接收客户端的TCP连接诉求消息,链路树立成功现在,通过Dispatch将相应的ByteBuffer派发到内定的Handler上进行音讯解码。顾客线程能够透过新闻编码通过NIO线程将音信发送给顾客端。

对此部分小容积应用场景,能够运用单线程模型。可是对于高负载、大并发的运用场景却不合适,主因如下:

1)三个NIO线程同有的时候候管理成都百货上千的链路,品质上无法支撑,纵然NIO线程的CPU负荷到达百分之百,也无法满意海量消息的编码、解码、读取和发送;

2)当NIO线程负载超重之后,管理速度将变慢,那会形成大气顾客端连接超时,超时以往往往会进行重发,那越来越深了NIO线程的负载,最后会招致大量新闻积压和拍卖超时,成为系统的习性瓶颈;

3)可相信性难题:一旦NIO线程意外跑飞,或许进入死循环,会导致整个类别通信模块不可用,不能够接受和拍卖外界消息,产生节点故障。

为了化解这几个标题,演进出了Reactor三十二线程模型,上面大家一齐上学下Reactor多线程模型。

1.2.2. 多线程模型

Rector八线程模型与单线程模型最大的区分就是有一组NIO线程管理IO操作,它的规律图如下:

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图1-2 Reactor多线程模型

Reactor三三十二线程模型的风味:

1)有非常多个NIO线程-Acceptor线程用于监听服务端,接收客商端的TCP连接诉求;

2)网络IO操作-读、写等由叁个NIO线程池担任,线程池能够选取专门的学业的JD布林线程池完毕,它富含贰个任务队列和N个可用的线程,由这个NIO线程肩负消息的读取、解码、编码和殡葬;

3)1个NIO线程能够同有时间处理N条链路,然而1个链路只对应1个NIO线程,幸免爆发并发操作难点。

在大部分境况下,Reactor多线程模型都得以满意质量须要;不过,在极个别特殊现象中,一个NIO线程肩负监听和管理所有的顾客端连接大概会存在质量难点。比方并发百万顾客端连接,也许服务端要求对顾客端握手实行安全注解,但是认证笔者特别损耗质量。在这类场景下,单唯二个Acceptor线程大概会存在品质不足难点,为了缓和品质难题,发生了第两种Reactor线程模型-主从Reactor二十八线程模型。

1.2.3. 主从二十三多线程模型

骨干Reactor线程模型的表征是:服务端用于吸收接纳客商端连接的不再是个1个独立的NIO线程,而是三个独门的NIO线程池。Acceptor接收到客商端TCP连接乞求管理到位后(恐怕富含接入认证等),将新创立的SocketChannel注册到IO线程池(sub
reactor线程池)的有些IO线程上,由它负担SocketChannel的读写和编解码专门的学业。Acceptor线程池仅仅只用于顾客端的登入、握手和安全认证,一旦链路建构成功,就将链路注册到后端subReactor线程池的IO线程上,由IO线程担当后续的IO操作。

它的线程模型如下图所示:

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图1-3 主从Reactor多线程模型

运用中央NIO线程模型,能够化解1个服务端监听线程不或许有效管理全体顾客端连接的属性不足难点。

它的干活流程计算如下:

  1. 从主线程池中私下行选购取八个Reactor线程作为Acceptor线程,用于绑定监听端口,接收客商端连接;

  2. Acceptor线程接收客商端连接诉求之后创立新的SocketChannel,将其登记到主线程池的别样Reactor线程上,由其承担接入认证、IP黑白名单过滤、握手等操作;

  3. 步骤2做于今,业务层的链路正式确立,将SocketChannel从主线程池的Reactor线程的多路复用器上摘除,重新注册到Sub线程池的线程上,用于拍卖I/O的读写操作。

  4. Netty线程模型


2.1. Netty线程模型分类

实在,Netty的线程模型与1.2章节中牵线的三种Reactor线程模型相似,下边章节我们通过Netty服务端和客户端的线程管理流程图来介绍Netty的线程模型。

2.1.1. 劳动端线程模型

一种相比盛行的做法是服务端监听线程和IO线程分离,类似于Reactor的八线程模型,它的干活原理图如下:

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图2-1 Netty服务端线程专业流程

下边我们结合Netty的源码,对服务端创设线程专门的学业流程进行介绍:

首先步,从顾客线程发起创制服务端操作,代码如下:

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图2-2 客商线程创克制务端代码示例

平凡状态下,服务端的创办是在顾客进度运营的时候举行,由此一般由Main函数恐怕运转类担负制造,服务端的创建由职业线程担当完毕。在创制服务端的时候实例化了2个伊夫ntLoopGroup,1个EventLoopGroup实际就是三个EventLoop线程组,肩负管理EventLoop的申请和自由。

EventLoopGroup管理的线程数可以因而构造函数设置,若无安装,默许取-Dio.netty.eventLoopThreads,如若该系统参数也并未有一些名,则为可用的CPU内核数
× 2。

bossGroup线程组实际正是Acceptor线程池,担任管理客商端的TCP连接须要,如若系统唯有多个服务端端口须要监听,则提议bossGroup线程组线程数设置为1。

workerGroup是真的担当I/O读写操作的线程组,通过ServerBootstrap的group方法实行设置,用于后续的Channel绑定。

第二步,Acceptor线程绑定监听端口,运行NIO服务端,相关代码如下:

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图2-3 从bossGroup中甄选二个Acceptor线程监听服务端

其中,group()重返的就是bossGroup,它的next方法用于从线程组中获得可用线程,代码如下:

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图2-4 选择Acceptor线程

劳动端Channel成立完毕未来,将其登记到多路复用器Selector上,用于吸纳顾客端的TCP连接,核心代码如下:

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图2-5 注册ServerSocketChannel 到Selector

其三步,假如监听到客户端连接,则开创客商端SocketChannel连接,重新挂号到workerGroup的IO线程上。首先看Acceptor怎么样管理顾客端的对接:

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图2-6 管理读大概三番两次事件

调用unsafe的read()方法,对于NioServerSocketChannel,它调用了NioMessageUnsafe的read()方法,代码如下:

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图2-7 NioServerSocketChannel的read()方法

最后它会调用NioServerSocketChannel的doReadMessages方法,代码如下:

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图2-8 创立客商端连接SocketChannel

当中child伊芙ntLoopGroup正是事先的workerGroup,
从中采取三个I/O线程担当互联网信息的读写。

第四步,选用IO线程之后,将SocketChannel注册到多路复用器上,监听READ操作。

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图2-9 监听互连网读事件

第五步,管理网络的I/O读写事件,大旨代码如下:

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图2-10 管理读写事件

2.1.2. 客商端线程模型

相比较于服务端,客商端的线程模型轻松一些,它的劳作规律如下:

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图2-11 Netty顾客端线程模型

先是步,由客商线程发起客商端连接,示例代码如下:

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图2-12 Netty客户端创造代码示例

大家发掘比照于服务端,顾客端只须要创设贰个EventLoopGroup,因为它无需单独的线程去监听客商端连接,也没供给通过二个独门的客商端线程去老是服务端。Netty是异步事件驱动的NIO框架,它的接二连三和兼具IO操作都以异步的,因而不须求创造单独的连日线程。相关代码如下:

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图2-13 绑定顾客端连接线程

日前的group()就是从前传出的EventLoopGroup,从中得到可用的IO线程伊芙ntLoop,然后作为参数设置到新创制的NioSocketChannel中。

其次步,发起连接操作,推断连接结果,代码如下:

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图2-14 连接操作

看清连接结果,若无连接成功,则监听连接网络操作位SelectionKey.OP_CONNECT。假使总是成功,则调用pipeline().fireChannelActive()将监听位修改为READ。

其三步,由Nio伊夫ntLoop的多路复用器轮询连接操作结果,代码如下:

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图2-15 Selector发起轮询操作

剖断连接结果,假如或接二连三成功,重新安装监听位为READ:

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图2-16 判定连接操作结果

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图2-17 设置操作位为READ

第四步,由Nio伊夫ntLoop线程担当I/O读写,同服务端。

总括:客商端创设,线程模型如下:

  1. 由顾客线程肩负开头化顾客端财富,发起连接操作;

  2. 假定总是成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊夫ntLoop线程中,监听读操作位;

  3. 举个例子未有及时连接成功,将SocketChannel注册到IO线程组的Nio伊芙ntLoop线程中,监听连接操作位;

  4. 连日来成功之后,修改监听位为READ,可是没有供给切换线程。

2.2. Reactor线程NioEventLoop

2.2.1. NioEventLoop介绍

Nio伊芙ntLoop是Netty的Reactor线程,它的职分如下:

  1. 用作服务端Acceptor线程,负担管理客商端的央浼接入;

  2. 作为客商端Connecor线程,肩负挂号监听连接操作位,用于判定异步连接结果;

  3. 作为IO线程,监听互连网读操作位,担负从SocketChannel中读取报文;

  4. 用作IO线程,担当向SocketChannel写入报文发送给对方,倘若产生写半包,会自行注册监听写事件,用于后续继续发送半包数据,直到数据总体发送完成;

  5. 作为定时任务线程,可以实行定期职务,比方链路空闲检验和殡葬心跳音讯等;

  6. 作为线程试行器能够实施平日的天职线程(Runnable)。

在服务端和客户端线程模型章节大家曾经详尽介绍了Nio伊芙ntLoop怎样处理互连网IO事件,下边我们大约看下它是何许管理定期职责和实践日常的Runnable的。

先是Nio伊夫ntLoop承继SingleThreadEventExecutor,那就表示它其实是多个线程个数为1的线程池,类承继关系如下所示:

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图2-18 NioEventLoop继承关系

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图2-19 线程池和职务队列定义

对此顾客来说,直接调用Nio伊芙ntLoop的execute(Runnable
task)方法就能够实践自定义的Task,代码达成如下:

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图2-20 推行客商自定义Task

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图2-21 NioEventLoop实现ScheduledExecutorService

通过调用SingleThread伊芙ntExecutor的schedule类别措施,能够在Nio伊芙ntLoop中实践Netty恐怕顾客自定义的按期职务,接口定义如下:

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图2-22 NioEventLoop的按时任务实行接口定义

2.3. Nio伊夫ntLoop设计原理

2.3.1. 串行化设计制止线程竞争

笔者们知道当系统在运维进度中,如若一再的进展线程上下文切换,会拉动相当的性格损耗。八线程并发实践有些业务流程,业务开辟者还索要随时对线程安全保持警惕,哪些数据大概会被冒出修改,怎样维护?那不但裁减了支付成效,也会带来额外的个性损耗。

串行奉行Handler链

为了消除上述难点,Netty选择了串行化设计意见,从新闻的读取、编码以及后续Handler的实践,始终都由IO线程NioEventLoop担任,那就意外着全体育工作艺流程不会进展线程上下文的切换,数据也不会晤对被出现修改的危害,对于客商来讲,乃至不供给精通Netty的线程细节,那诚然是个十分好的宏图观念,它的干活规律图如下:

 

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图2-23 NioEventLoop串行试行ChannelHandler

三个NioEventLoop聚合了三个多路复用器Selector,由此得以管理成都百货上千的客商端连接,Netty的拍卖政策是每当有一个新的客商端连着,则从Nio伊夫ntLoop线程组中各类获取贰个可用的NioEventLoop,当达到数组上限之后,重新回来到0,通过这种措施,能够着力保险各类Nio伊芙ntLoop的负荷均衡。一个顾客端连接只登记到二个Nio伊夫ntLoop上,那样就制止了多少个IO线程去并发操作它。

Netty通过串行化设计思想减少了客商的支付难度,进步了拍卖质量。利用线程组达成了八个串行化线程水平并行实行,线程之间并不曾交集,那样不只能够充足利用多核进级并行管理技艺,相同的时间幸免了线程上下文的切换和出现爱戴带来的额外质量损耗。

2.3.2. 定期职责与时间轮算法

在Netty中,有多数功力正视定时职分,相比较优秀的有三种:

  1. 顾客端连接超时间调整制;

  2. 链路空闲检查实验。

一种比较常用的希图意见是在Nio伊芙ntLoop中聚合JDK的定期任务线程池ScheduledExecutorService,通过它来施行按期义务。那样做只是从性质角度看不是最优,原因有如下三点:

  1. 在IO线程中会集了叁个独自的定期义务线程池,这样在管理进程中会存在线程上下文切换难点,那就打破了Netty的串行化设计意见;

  2. 留存二十多线程并发操作难点,因为定时任务Task和IO线程NioEventLoop恐怕同一时候做客并修改同一份数据;

  3. JDK的ScheduledExecutorService从性质角度看,存在品质优化空间。

最初面前境遇上述难点的是操作系统和公约栈,比如TCP契约栈,其有限支撑传输依赖超时重传机制,由此每一个通过TCP传输的
packet 都须要八个 timer来调解 timeout
事件。那类超时大概是海量的,假如为各种超时都创立二个停车计时器,从品质和资源消耗角度看都以不创立的。

依据吉优rge Varghese和托尼 Lauck 一九九四年的舆论《Hashed and Hierarchical
Timing Wheels: data structures to efficiently implement a timer
facility》提议了一种按期轮的章程来治本和护卫大量的timer调解。Netty的定期职分调节正是依据时间轮算法调节,上边大家一同来看下Netty的完毕。

定期轮是一种数据结构,在那之中央是二个循环列表,各样列表中含有多少个称之为slot的组织,它的法规图如下:

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图2-24 时间轮职业规律

定期轮的职业规律能够类比于石英钟,如上海体育场所箭头(指针)按某四个主旋律按一定频率轮动,每贰次跳动称为贰个tick。那样能够见到定时轮由个3个入眼的品质参数:ticksPerWheel(一轮的tick数),tickDuration(三个tick的持续时间)以及
timeUnit(时间单位),比如当ticksPerWheel=60,tickDuration=1,timeUnit=秒,那就和石英钟的秒针走动完全类似了。

下边大家具体剖判下Netty的落实:时间轮的实行由Nio伊夫ntLoop来复杂检验,首先看义务队列中是不是有逾期的定时职责和平日职务,要是有则遵照比例循环施行那些职责,代码如下:

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澳门正规网上娱乐,图2-25 试行职分队列

若是未有索要领悟实践的职分,则调用Selector的select方法开展等待,等待的日子为定期任务队列中第一个超时的定期职分时延,代码如下:

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图2-26 总计时延

从定期职务Task队列中弹出delay最小的Task,总结超时时间,代码如下:

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图2-27 从定期职务队列中收获超时时间

定时职务的执行:经过周期tick之后,扫描定时任务列表,将过期的定期职责移除到普通职务队列中,等待执行,相关代码如下:

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图2-28 检验超时的定时职务

检验和拷贝任务成功之后,就施行超时的定期职务,代码如下:

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图2-29 实践定期任务

为了确驻马店时任务的进行不会因为过分挤占IO事件的管理,Netty提供了IO施行比例供客商安装,客户能够设置分配给IO的进行比例,幸免因为海量定期任务的实施导致IO管理超时可能积压。

因为获取系统的阿秒时间是件耗费时间的操作,所以Netty每奉行63个定期任务检查评定一次是否达到规定的标准施行的上限时期,抵达则脱离。若无执行完,放到下一次Selector轮询时再管理,给IO事件的拍卖提供机缘,代码如下:

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图2-30 实践时间上限质量评定

2.3.3. 集中并非膨胀

Netty是个异步高品质的NIO框架,它并不是个职业运维容器,由此它无需也不应该提供业务容器和作业线程。合理的设计格局是Netty只担负提供和管理NIO线程,其余的工作层线程模型由顾客自身集成,Netty不应有提供此类成效,只要将分层划分清楚,就能够更有利客户集成和庞大。

令人可惜的是在Netty
3连串版本中,Netty提供了近似Mina异步Filter的ExecutionHandler,它聚合了JDK的线程池java.util.concurrent.Executor,客户异步实践后续的Handler。

ExecutionHandler是为了减轻部分客商Handler可能存在实施时间不分明而招致IO线程被意外阻塞恐怕挂住,从必要合理性角度深入分析这类须求本人是言之成理的,可是Netty提供该意义却并不适用。原因总计如下:

1.
它打破了Netty持之以恒的串行化设计思想,在音信的抽取和管理进程中发出了线程切换并引进新的线程池,打破了笔者架构遵从的宏图原则,实际是一种架构迁就;

2.
暧昧的线程并发安全难点,假使异步Handler也操作它后面包车型客车客商Handler,而客户Handler又不曾打开线程安全维护,那就能够导致隐敝和致命的线程安全主题材料;

3.
客户支付的繁杂,引进ExecutionHandler,打破了原本的ChannelPipeline串行实践格局,顾客供给理解Netty底层的贯彻细节,关注线程安全等难题,那会形成进寸退尺。

由于上述原因,Netty的后续版本透顶删除了ExecutionHandler,而且也不曾提供类似的相干成效类,把精力聚集在Netty的IO线程Nio伊芙ntLoop上,那活脱脱是一种伟大的前进,Netty重新开首集中在IO线程自身,并不是提供顾客相关的事情线程模型。

2.4. Netty线程开辟最好实施

2.4.1. 岁月可控的简要业务平素在IO线程上拍卖

假若专门的学问非常简单,实行时间非常短,不须求与外界网元交互、访谈数据库和磁盘,不供给等待别的财富,则建议直接在工作ChannelHandler中实行,不供给再启业务的线程也许线程池。制止线程上下文切换,也一纸空文线程并发难题。

2.4.2. 复杂和时间不可控业务提议投递到后端业务线程池统一管理

对于此类职业,不提议直接在专业ChannelHandler中运转线程恐怕线程池管理,提议将分化的事务合併封装成Task,统一投递到后端的业务线程池中实行拍卖。

过多的业务ChannelHandler会带来开荒功能和可维护性难题,不要把Netty当作业务容器,对于超过八分之四复杂的事情产品,仍旧须求集成恐怕支付和睦的政工容器,做好和Netty的框架结构分层。

2.4.3. 工作线程制止直接操作ChannelHandler

对此ChannelHandler,IO线程和专业线程都或者会操作,因为专门的学业日常是四线程模型,那样就能设有三十二线程操作ChannelHandler。为了尽量制止四线程并发问题,提议依据Netty本身的做法,通过将操作封装成独立的Task由Nio伊夫ntLoop统一进行,并不是业务线程直接操作,相关代码如下所示:

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图2-31 封装成Task制止八线程并发操作

一旦您承认并发访谈的数据也许出现操作是平安的,则不供给多此一举,这些需求基于具体的作业场景实行剖断,灵活处理。

3. 总结

固然Netty的线程模型并不复杂,但是如何合理施用Netty开拓出高质量、高并发的作业产品,依旧是个有挑衅的劳作。只有足够知晓了Netty的线程模型和布署原理,能力支付出高素质的出品。

4. Netty学习推荐书籍

时下市面上介绍netty的作品相当多,借使读者愿意系统性的上学Netty,推荐两本书:

1) 《Netty in Action》,提出阅读日文原版。

2) 《Netty权威指南》,提议通过理论联系实际方历史学习。

5. 小编简要介绍

王芸锋,二〇〇六年结业于东哈工大学,2010年跻身Nokia集团从事高质量通讯软件的设计和支出工作,有6年NIO设计和付出经历,领会Netty、Mina等NIO框架,Netty中中原人民共和国社区开山和Netty框架推广者。

微信大伙儿号:it_haha

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原文:http://www.infoq.com/cn/articles/netty-threading-model?utm\_source=infoq&utm\_campaign=user\_page&utm\_medium=link