Netty从0到1系列之EventLoop

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推荐阅读:

【01】Netty从0到1系列之I/O模型
【02】Netty从0到1系列之NIO
【03】Netty从0到1系列之Selector
【04】Netty从0到1系列之Channel
【05】Netty从0到1系列之Buffer(上)
【06】Netty从0到1系列之Buffer(下)
【07】Netty从0到1系列之零拷贝技术
【08】Netty从0到1系列之整体架构、入门程序

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一、EventLoop

1.1 EventLoop 是什么？为什么需要它？

1.1.1 核心概念

EventLoop 是 Netty 的核心执行单元。它的名字完美地描述了它的工作：

• Event：它负责处理各种 I/O 事件（如数据可读、连接就绪、用户任务）。
• Loop：它在一个无限循环中运行，不断地等待事件、处理事件。

你可以将它理解为一个专为处理 Channel I/O 和任务而优化的、加强版的单线程执行器。

🌟 核心职责：

• I/O 事件轮询（select）
• I/O 事件处理（read/write/accept）
• 任务执行（Runnable 任务队列）
• 定时任务调度
• 保证线程安全（无锁串行化）

1.1.2 要解决的问题：传统的并发模型缺陷

在传统的“一个连接，一个线程”（BIO）模型中，当连接数暴涨时，线程数量也随之暴涨，导致：

• 巨大的内存消耗：每个线程都需要独立的栈内存（通常1MB左右）。
• 巨大的 CPU 开销：线程上下文切换会消耗大量 CPU 资源。
• 系统资源耗尽：最终系统无法创建新线程，性能急剧下降。

EventLoop 的解决方案：

• 使用少量线程（通常为核心数的两倍）来管理海量连接。
• 每个 EventLoop 绑定一个线程，负责处理多个 Channel 上的所有事件。
• 这实现了高效的资源利用和无锁化的串行设计，从根本上解决了传统模型的缺陷。

1.2 EventLoop核心架构与工作原理

EventLoop 的核心工作机制可以概括为一个高效的任务处理循环。其工作流程的精妙之处在于它如何平衡 I/O 事件和异步任务的执行，下图清晰地展示了这一过程：

这个循环是 Netty 高性能的基石，它确保了：

1. I/O 高响应性：优先处理就绪的 I/O 事件，保证网络通信的低延迟。
2. 任务公平性：在 I/O 事件的间隙处理异步任务，防止任务饿死。
3. 资源高效利用：在没有任务和 I/O 事件时，线程会优雅地阻塞在 select() 上，避免空转消耗 CPU。

1.3 EventLoop 与 EventLoopGroup 的关系

• EventLoopGroup：包含多个 EventLoop 的池子。Netty 通常创建两个 group：

  • BossGroup：负责接受新连接。连接接受后，它将 Channel 注册给 WorkerGroup 中的一个 EventLoop。

  • WorkerGroup：负责处理已接受连接的 I/O 读写

• EventLoop：一个 EventLoop 在其生命周期内只绑定一个线程。反之，该线程也只服务于这个 EventLoop。

• Channel：一个 Channel 在其生命周期内只注册到一个 EventLoop。反之，一个 EventLoop 可以被注册给多个 Channel。

这条规则是 Netty 实现无锁化和线程安全架构的基石！ 它保证了对同一个 Channel 的所有操作始终由同一个线程串行执行，彻底避免了复杂的同步。

1.4 EventLoop的继承体系

io.netty.util.concurrent-> SingleThreadEventExecutor-> SingleThreadEventLoop-> NioEventLoop / EpollEventLoop / ...

• SingleThreadEventExecutor：封装了单一线程和任务队列的核心逻辑。
• SingleThreadEventLoop：增加了注册 Channel 和执行 I/O 操作的能力。
• NioEventLoop：基于 Java NIO Selector 的具体实现，也是最常用的实现。

ScheduledExecutorService

public interface ScheduledExecutorService extends ExecutorService {// other code ... 
}

OrderedEventExecutor

public interface OrderedEventExecutor extends EventExecutor {
}

EventExecutor

public interface EventExecutor extends EventExecutorGroup {@OverrideEventExecutor next();EventExecutorGroup parent(); // ✅ parent方法来看看自己属于哪个EventLoopGroupboolean inEventLoop();boolean inEventLoop(Thread thread); // ✅ 判断一个线程是否属于当前的EventLoop<V> Promise<V> newPromise();<V> ProgressivePromise<V> newProgressivePromise();<V> Future<V> newSucceededFuture(V result);<V> Future<V> newFailedFuture(Throwable cause);
}

[!note]

🥭总结

• EventLoop继承自JUC包下的ScheduledExecutorService, 因此包含了线程池中所有的方法.
• EventLoop继承自Netty自己的OrderedEventExecutor
  • 提供了 boolean inEventLoop(Thread thread) 方法,判断一个线程是否属于此 EventLoop
  • 提供了 parent 方法来看看自己属于哪个 EventLoopGroup

1.5 EventLoop的核心工作: 任务调度

EventLoop 继承自 ScheduledExecutorService，因此它具备 JDK 线程池的所有能力，并且更加强大。

Channel channel = ...;
EventLoop eventLoop = channel.eventLoop();

1.5.1 立即执行异步任务 (Runnable)

// 1. 立即执行异步任务 (Runnable)
eventLoop.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("This is executed asynchronously in the EventLoop thread: "+ Thread.currentThread().getName());// 这里可以安全地操作与这个EventLoop关联的Channelchannel.writeAndFlush("Data from task");}
});

1.5.2 定时任务: 延迟执行

// 2. 定时任务：延迟执行
ScheduledFuture<?> future = eventLoop.schedule(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("Executed after 5 seconds delay");}
}, 5, TimeUnit.SECONDS); // 延迟5秒

1.5.3 固定速率执行任务

// 3. 固定速率定时任务（忽略任务执行时间）
eventLoop.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {@Overridepublic void run() {System.out.println("Executed every 3 seconds");}
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS); // 初始延迟1秒，之后每3秒一次

1.5.4 固定延迟定时任务

// 4. 固定延迟定时任务（等待任务执行完成后，再延迟）
eventLoop.scheduleWithFixedDelay(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(2000); // 模拟耗时任务} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Executed with 3 seconds delay after the previous task finished");}
}, 1, 3, TimeUnit.SECONDS);

关键点：

• 所有通过 execute 或 schedule 提交的任务，都会被放入该 EventLoop 的任务队列中。
• EventLoop 线程会在其运行循环中消费并执行这些任务。
• 因为这些任务和在同一个 EventLoop 上处理的 I/O 事件是串行执行的，所以它们是线程安全的。

1.5.5 EventLoop基础使用

package cn.tcmeta.demo02;import io.netty.channel.EventLoop;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** @author: laoren* @description: EventLoop的基本使用* @version: 1.0.0*/
public class EventLoopExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个NioEventLoopGroup（包含多个 EventLoop）NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(2);try {// 2. 获取一个EventLoopEventLoop eventLoop = group.next();System.out.printf("线程名称: 【%s】 , -------  %s \n", Thread.currentThread().getName(), "");// 3. 提交一个普通任务eventLoop.execute(() -> {System.out.printf("线程名称: 【%s】 , ----------: %s \n", Thread.currentThread().getName(), "✅");});// 4. 提交定时任务eventLoop.schedule(() -> {System.out.printf("线程名称: 【%s】 , ----------: %s \n", Thread.currentThread().getName(), "🥭");}, 2, TimeUnit.SECONDS);// 5. 提交一个周期性任务eventLoop.scheduleAtFixedRate(() -> {System.out.printf("线程名称: 【%s】 , ----------: %s \n", Thread.currentThread().getName(), "🎁");}, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5000);}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}catch (Exception e){e.printStackTrace();}finally {group.shutdownGracefully(); // 关闭线程池}}
}

1.5.6 EventLoop与Channel绑定

package cn.tcmeta.demo02;import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoop;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;/*** @author: laoren* @date: 2025/9/1 14:19* @description: Channel与EventLoop绑定* @version: 1.0.0*/
public class ChannelEventLoopBinding {public static void main(String[] args) {NioEventLoopGroup boosGroup = new NioEventLoopGroup(1);NioEventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(2);try {ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();bootstrap.group(boosGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {EventLoop eventLoop = ch.eventLoop();System.out.println("🔗 Channel " + ch.id() +" bound to EventLoop thread: " +Thread.currentThread().getName());// 在 EventLoop 线程中执行任务eventLoop.execute(() -> {System.out.println("⚡ Channel " + ch.id() +" executing task in " +Thread.currentThread().getName());// 模拟响应ch.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Hello from " + Thread.currentThread().getName() + "\n",java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8));});}});ChannelFuture future = bootstrap.bind(8080).sync();System.out.println("🚀 Server started at port 8080");future.channel().closeFuture().sync();} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);} finally {boosGroup.shutdownGracefully();workerGroup.shutdownGracefully();}}
}

1.6 EventLoop最佳实践

✅ 推荐实践

实践	说明
合理设置线程数	EventLoopGroup 线程数 = CPU 核心数 × 2
避免阻塞 EventLoop	不要在 ChannelHandler 中执行 Thread.sleep()、数据库查询等耗时操作
使用独立业务线程池	耗时任务提交到业务线程池
使用 eventLoop().execute()	确保代码在 I/O 线程执行
优雅关闭	调用 shutdownGracefully()

⚠️ 常见错误

// ❌ 错误：阻塞 I/O 线程
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {Thread.sleep(5000); // 严重阻塞！ctx.writeAndFlush(msg);
}// ✅ 正确：提交到业务线程池
private final ExecutorService businessPool = Executors.newFixedThreadPool(10);@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {businessPool.execute(() -> {// 耗时业务processBusiness(msg);ctx.writeAndFlush(result);});
}

1.7 EventLoop优缺点总结

✅ 优点

优点	说明
高性能	无锁串行化，避免锁竞争
高并发	单线程处理多连接，支持百万级并发
线程安全	同一 Channel 的操作由同一线程执行
资源高效	线程数可控，减少上下文切换
任务统一调度	I/O、任务、定时任务统一处理

❌ 缺点

缺点	说明
调试困难	异步编程，堆栈不直观
阻塞风险	一旦 I/O 线程阻塞，整个 Channel 挂起
学习成本高	需理解事件驱动、Reactor 模式
内存管理复杂	ByteBuf 需手动释放

1.8 EventLoop核心价值

维度	说明
核心思想	一个线程一个事件循环，串行化处理
关键技术	Reactor 模式、无锁设计、任务队列
性能优势	低延迟、高吞吐、高并发
设计精髓	“让 I/O 线程只做 I/O 事”
适用场景	所有 Netty 网络应用的基础

1.9 一句话总结

💡 一句话总结：

EventLoop 是 Netty 实现高性能网络通信的“心脏” —— 它通过 无锁串行化 和 统一事件循环，将复杂的并发问题转化为简单的串行处理，是现代异步网络框架的典范设计。