Java面试宝典：Netty 与 RPC

面向面试的博客，以问答式Q/A方式呈现。

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Question1：Netty-简要介绍一下Netty？

Answer1：

第一，介绍Netty

Netty是互联网中间件领域使用最广泛最核心的网络通信框架，几乎所有互联网中间件或者大数据领域均离不开Netty。Netty 是一个高性能、异步事件驱动的 NIO 框架，基于 JAVA NIO 提供的 API 实现。它提供了对TCP、UDP 和文件传输的支持，作为一个异步 NIO 框架，Netty 的所有 IO 操作都是异步非阻塞的，通过 Future-Listener 机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得 IO 操作结果。

第二，Netty高性能实现方式

在IO编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者IO多路复用技术进行处理。IO多路复用技术通过把多个 IO的阻塞复用到同一个 select 的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O 多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。

与Socket类和ServerSocket类相对应，NIO也提供了SocketChannel和ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现。

Netty高性能实现方式1：多路复用通讯方式

Netty 架构按照 Reactor 模式设计和实现，其通讯包括服务端通信和客户端通信。

Netty服务端通信序列图如下：

注意：上图中的读写操作都是异步进行的，即异步读、异步写。
图中操作包括：
OP_Accept handleAccept() 接受连接
OP_Read handleRead() 异步读

Netty客户端通信序列图如下：

注意：上图中的读写操作都是异步进行的，即异步读、异步写。
图中操作包括：
OP_Connect handleConnect() 发出连接
OP_Read handleRead() 异步读

Netty 的 IO 线程 NioEventLoop 由于聚合了多路复用器 Selector，可以同时并发处理成百上千个客户端 Channel，由于读写操作都是非阻塞的，这就可以充分提升 IO 线程的运行效率，避免由于频繁 IO 阻塞导致的线程挂起。

Netty高性能实现方式2：异步通讯 NIO

由于 Netty 采用了异步通信模式，一个 IO 线程可以并发处理 N 个客户端连接和读写操作，这从根本上解决了传统同步阻塞 IO 一连接一线程模型，架构的性能、弹性伸缩能力和可靠性都得到了极大的提升。

Netty高性能实现方式3：零拷贝 （DIRECT BUFFERS 使用堆外直接内存 ）

1. 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。
2. 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。
3. 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。

Netty高性能实现方式4：内存池（基于内存池的缓冲区重用机制）

随着 JVM 虚拟机和 JIT 即时编译技术的发展，对象的分配和回收是个非常轻量级的工作。但是对于缓冲区 Buffer，情况却稍有不同，特别是对于堆外直接内存的分配和回收，是一件耗时的操作。为了尽量重用缓冲区，Netty 提供了基于内存池的缓冲区重用机制。

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Question2：Netty-介绍一下 Reactor线程模型？

Answer2：

常用的 Reactor 线程模型有三种，Reactor 单线程模型, Reactor 多线程模型, 主从 Reactor 多线程模型。

第一，Reactor 单线程模型

含义：服务端用于接收客户端连接的是个 1 个单独的 NIO 线程，且由同一个 NIO 线程上面完成所有的 IO 操作。

NIO 线程的职责如下：

1. 作为 NIO 服务端，接收客户端的 TCP 连接；
2. 作为 NIO 客户端，向服务端发起 TCP 连接；
3. 读取通信对端的请求或者应答消息；
4. 向通信对端发送消息请求或者应答消息。

由于 Reactor 模式使用的是异步非阻塞 IO，所有的 IO 操作都不会导致阻塞，理论上一个线程可以独立处理所有 IO 相关的操作。从架构层面看，一个 NIO 线程确实可以完成其承担的职责。

对于上图的解释：
1、各个概念：client表示客户端对象，Reactor Thread表示Reactor线程，Acceptor表示客户端对象消息接收者，Dispatcher表示Reactor线程的分发器，Handler1-4都是表示处理程序。
2、整个流程：因为Reactor 模式使用的是异步非阻塞 IO，所以一个NIO 线程可以完成整个流程。开始，客户端对象Client发出TCP连接请求，然后，Acceptor 接收客户端的 TCP 连接请求消息，链路建立成功之后，通过 Dispatcher 将对应的ByteBuffer派发到指定的 Handler 上进行消息解码，图中表示Handler3、Handler4将数据写出到Reactor线程，Handler1、Handler2将从Reactor线程读入数据。

第二，Reactor 多线程模型

含义：服务端用于接收客户端连接的是个 1 个单独的 NIO 线程，然后，一组 NIO 线程上面完成所有的 IO 操作。

Reactor 多线程模型有专门一个NIO 线程——Acceptor 线程用于监听服务端，接收客户端的 TCP 连接请求； 网络 IO 操作-读、写等由一个 NIO 线程池负责，线程池可以采用标准的 JDK 线程池实现，它包含一个任务队列和 N个可用的线程，由这些 NIO 线程负责消息的读取、解码、编码和发送。

对于上图的解释：
1、各个概念：client表示客户端对象，Reactor Thread表示Reactor线程，Acceptor表示客户端对象消息接收者，Dispatcher表示Reactor线程的分发器，Reactor Thread Pool表示 一个 NIO 线程池，里面有N个 NIO线程，即一组NIO 线程，Handler1-5都是表示处理程序。
2、整个流程：开始，客户端对象Client发出TCP连接请求，然后，Acceptor 接收客户端的 TCP 连接请求消息，链路建立成功之后，通过 Dispatcher 将对应的ByteBuffer派发到指定的 Handler 上进行消息解码（中间通过线程池Reactor Thread Pool），图中表示
Handler5 将数据写出到Reactor线程，Handler1、Handler2、Handler3、Handler4将从Reactor线程读入数据。

第三，主从 Reactor 多线程模型

含义：服务端用于接收客户端连接的是一个独立的 NIO 线程池，而且由一组 NIO 线程上面完成所有的 IO 操作。

Acceptor 接收到客户端 TCP 连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel 注册到 IO 线程池（sub reactor 线程池）的某个 IO 线程上，由它负责SocketChannel 的读写和编解码工作。Acceptor 线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证，一旦链路建立成功，就将链路注册到后端 subReactor 线程池的 IO 线程上，由 IO 线程负责后续的 IO 操作。

对于上图的解释：
1、各个概念：client表示客户端对象，Acceptor表示客户端对象消息接收者，Dispatcher表示分发器，Main Reactor Thread Pool(Accept Pool)表示主Reactor线程池，是接收客户端连接Reactor线程池，所以也称为Accept Pool接收池，auth表示认证、login表示登录、shake-hand表示握手、SLA表示服务级别协议，都是中间过程，Dispatcher表示分发器，Sub Reactor Thread Pool(IO Pool)表示从Reactor线程池，用于IO，又称为IO Pool，里面有N个 NIO线程，即一组NIO 线程，NIO-Thread1、NIO-Thread2、NIO-Thread…表示 从Reactor线程池 中的 一组NIO 线程，Handler1-Handler…都是表示处理程序。
2、整个流程：开始，客户端对象Client发出TCP连接请求，然后，Acceptor 接收客户端的 TCP 连接请求消息，分发到主Reactor线程池，主Reactor线程池中线程完成与客户端的登陆、握手和安全认证，链路建立成功之后，通过 Dispatcher 将对应的ByteBuffer派发到指定的 Handler 上进行消息解码（中间通过线程池Sub Reactor Thread Pool），图中Handler1、Handler2、Handler…表示的就是这个意思。

第四，一表小结

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Question3：Netty-介绍一下Netty无锁设计？

Answer3：

Netty 采用了串行无锁化设计，在 IO 线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎 CPU 利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整 NIO 线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。

这种串行无锁又称为局部无锁，因为一个串行处理中只有一个IO线程运行，绝对不存在任何多线程争用的安全问题，所以去掉同步锁换来更高的效率，所以称为串行无锁/局部无锁。
当然，可以多个串行化线程并行运行，互不干扰，最大程度提高效率。

对于上图的解释：
图中概念：NioEventLoop 表示一个基于JDK NIO的异步事件循环类，read表示读操作，write表示写操作，两个Handler表示处理程序，encode表示编码，decode表示解码，ChannelPipeline 表示一个是ChannelHandler的容器。
整个流程：Netty 的 NioEventLoop 使用read读取到消息之后，直接调用 ChannelPipeline 的fireChannelRead(Object msg)，通过必要的编码和解码后，将数据写出到NioEventLoop 中。

Netty 的 NioEventLoop 读取到消息之后，直接调用 ChannelPipeline 的fireChannelRead(Object msg)，只要用户不主动切换线程，一直会由 NioEventLoop 调用到用户的 Handler，期间不进行线程切换，这种串行化处理方式避免了多线程操作导致的锁的竞争，从性能角度看是最优的。

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Question4：Netty-谈一谈使用Netty实现高性能的序列化框架？

Answer4：

由于Netty 默认提供了对 Google Protobuf 的支持，通过扩展 Netty 的编解码接口，用户可以实现其它的高性能序列化框架，例如 Thrift 的压缩二进制编解码框架。

1. SO_RCVBUF(接收缓冲区) 和 SO_SNDBUF(发送缓冲区)：通常建议值为 128K 或者 256K。
2. SO_TCPNODELAY（小包封大包，防止网络阻塞）：TCP_NODELAY选项是用来控制是否开启Nagle算法，Nagle算法是为了提高较慢的广域网传输效率，通过将缓冲区内的小封包自动相连，组成较大的封包，阻止大量小封包的发送阻塞网络，从而提高网络应用效率。但是对于时延敏感的应用场景需要关闭该优化算法。
3. RPS（软中断 Hash 值和 CPU 绑定）：全称为 Receive Packet Steering，即接收包转向，是google贡献给linux kernel的一个patch，开启 RPS 后可以实现软中断，提升网络吞吐量。RPS 根据数据包的源地址、源端口、目的地址和目的端口，计算出一个 hash 值，然后根据这个 hash 值来选择软中断运行的 cpu；从上层来看，也就是说将每个连接和 cpu 绑定，并通过这个 hash 值来均衡软中断在多个 cpu 上，提升网络并行处理性能。

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Question5：RPC-简要介绍一下RPC？

Answer5：

RPC，即 Remote Procedure Call（远程过程调用），调用远程计算机上的服务，就像调用本地服务一样。RPC 可以很好的解耦系统，如 WebService 就是一种基于 Http 协议的 RPC。整个 RPC 整体框架如下：

对于上图的理解：
1、各个概念：Service Registry表示服务注册，APP表示application应用程序，Server1、Server2、Server3表示服务器。
2、整个流程：RPC很好的解耦系统客户端和服务端，使调用远程计算机上的服务，就像调用本地服务一样，图中APP和三个Server表示是就是这个意思。

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Question6：RPC-谈一谈RPC所涉及的相关技术？

Answer6：

RPC所涉及的相关技术：

1. 服务发布与订阅：使用 Zookeeper 发布与订阅，服务端使用 Zookeeper 注册服务地址，客户端使用 Zookeeper 获取可用的服务地址。
2. 通信：使用 Netty 作为通信框架。
3. Spring：使用 Spring 配置服务，加载 Bean，扫描注解。
4. 动态代理：客户端使用代理模式透明化服务调用。
5. 消息编解码：使用 Protostuff 序列化和反序列化消息。

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Question7：RPC-介绍一下RPC的大致流程？

Answer7：

RPC大致流程如下：

上图的中的流程（从上到下）为：

1. rpc call：服务消费方（client）调用以本地调用方式调用服务；
2. send：client stub 接收到调用后负责将方法、参数等组装成能够进行网络传输的消息体；然后client stub 找到服务地址，并将消息发送到服务端；
3. receive：server stub 收到消息后进行解码；
4. local call：server stub 根据解码结果调用本地的服务；
5. local return：本地服务执行并将结果返回给 server stub；
6. send：server stub 将返回结果打包成消息并发送至消费方；
7. receive：client stub 接收到消息，并进行解码；
8. rpc return：服务消费方得到最终结果。

RPC 的目标就是要 2~7 这些步骤都封装起来，让用户对这些细节透明，这样一来，用户调用远程计算机上的服务，就像调用本地服务一样了，用户只能看到第1步 rpc call 和 第8步 rpc return。在JAVA语言中， 一般使用动态代理方式实现远程调用。

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Question8：RPC-谈一谈RPC中的消息结构？

Answer8：

客户端的请求消息结构一般需要包括以下内容：

消息数据结构 （接口名称 + 方法名 + 参数类型和参数值 + 超时时间 + requestID ）

1. 接口名称：在我们的例子里接口名是“HelloWorldService”，如果不传，服务端就不知道调用哪个接口了；
2. 方法名：一个接口内可能有很多方法，如果不传方法名服务端也就不知道调用哪个方法；
3. 参数类型和参数值：一个方法的参数列表中有很多参数，每一个参数包括参数类型和参数值，参数类型有很多，比如有 bool、int、long、double、string、map、list，甚至如 struct（class）；以及相应的参数值；
4. 超时时间：该请求的达到某个时间未返回而视为请求失败。
5. requestID：标识唯一请求 id。

服务端返回的消息结构一般包括以下内容：

返回值+状态 code+requestID

1. 返回值：服务端给客户端的有意义的返回值；
2. 状态code：该请求的网站状态，和返回值一起使用；
3. requestID：标识唯一请求 id。

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Question9：RPC-谈一谈RPC的通讯过程？

Answer9：

步骤一：使用 AtomicLong 生成 requestID
client 线程每次通过 socket 调用一次远程接口前，生成一个唯一的 ID，requestID（requestID 必需保证在一个 Socket 连接里面是唯一的），一般常常使用 AtomicLong从 0 开始累计数字生成唯一 ID；

步骤二：存放回调对象 callback 到全局 ConcurrentHashMap
将 处 理 结 果 的 回 调 对 象 callback ， 存 放 到 全 局 ConcurrentHashMap 里 put(requestID, callback)；

步骤三：synchronized 获取回调对象 callback 的锁并自旋 wait
当线程调用 channel.writeAndFlush()发送消息后，紧接着执行 callback 的 get()方法试图获取远程返回的结果。在 get()内部，则使用 synchronized 获取回调对象 callback 的锁，再先检测否已经获取到结果，如果没有，然后调用 callback 的 wait()方法，释放callback 上的锁，让当前线程处于等待状态。

步骤四：监听消息的线程收到消息，找到 callback 上的锁并唤醒
服务端接收到请求并处理后，将response结果（此结果中包含了前面的requestID）发送给客户端，客户端 socket 连接上专门监听消息的线程收到消息，分析结果，取到requestID，再从前面的 ConcurrentHashMap 里面 get(requestID)，从而找到callback 对象，再用 synchronized 获取 callback 上的锁，将方法调用结果设置到callback 对象里，再调用 callback.notifyAll()唤醒前面处于等待状态的线程。

public Object get() {
    synchronized (this) { // 旋锁
         while (true) { // 是否有结果了 
               if （!isDone）{
                    wait(); //没结果释放锁，让当前线程处于等待状态
               }else{
                   //获取数据并处理
               }
         }
     }
}
private void setDone(Response res) {
    this.res = res;
    isDone = true;
    synchronized (this) { //获取锁，因为前面 wait()已经释放了 callback 的锁了
         notifyAll(); // 唤醒处于等待的线程
    }
}

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Question10：附加-简要阐述一下RMI及其实现步骤？

Answer10：

第一，RMI

含义：RMI，英文全称 Remote Method Invocation，译为远程方法调用。

Java 远程方法调用，即 Java RMI（Java Remote Method Invocation）是 Java 编程语言里，一种用于实现远程过程调用的应用程序编程接口。它使客户机上运行的程序可以调用远程服务器上的对象。远程方法调用特性使 Java 编程人员能够在网络环境中分布操作。RMI 全部的宗旨就是尽可能简化远程接口对象的使用。

第二，RMI实现步骤

1. 编写远程服务接口，该接口必须继承 java.rmi.Remote 接口，方法必须抛出java.rmi.RemoteException 异常；
2. 编写远程接口实现类，该实现类必须继承 java.rmi.server.UnicastRemoteObject 类；
3. 运行 RMI 编译器（rmic），创建客户端 stub 类和服务端 skeleton 类;
4. 启动一个 RMI 注册表，以便驻留这些服务;
5. 在 RMI 注册表中注册服务；
6. 客户端查找远程对象，并调用远程方法；

六个步骤代码如下：

1：创建远程接口，继承 java.rmi.Remote 接口
public interface GreetService extends java.rmi.Remote {
String sayHello(String name) throws RemoteException;
}
2：实现远程接口，继承 java.rmi.server.UnicastRemoteObject 类
public class GreetServiceImpl extends java.rmi.server.UnicastRemoteObject
implements GreetService {
private static final long serialVersionUID = 3434060152387200042L;
public GreetServiceImpl() throws RemoteException {
super();
}
@Override
public String sayHello(String name) throws RemoteException {
return "Hello " + name;
}
}
3：生成 Stub 和 Skeleton;
4：执行 rmiregistry 命令注册服务
5：启动服务
LocateRegistry.createRegistry(1098);
Naming.bind("rmi://10.108.1.138:1098/GreetService", new GreetServiceImpl());
6.客户端调用
GreetService  greetService  =  (GreetService)
Naming.lookup("rmi://10.108.1.138:1098/GreetService");
System.out.println(greetService.sayHello("Jobs"));

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Question11：附加-简要阐述一下Protoclol Buffer？

Answer11：

protocol buffer 是 google 的一个开源项目,它是用于结构化数据串行化的灵活、高效、自动的方法，例如 XML，不过它比 xml 更小、更快、也更简单。你可以定义自己的数据结构，然后使用代码生成器生成的代码来读写这个数据结构。你甚至可以在无需重新部署程序的情况下更新数据结构。

Protocol Buffer 的序列化 & 反序列化简单 & 速度快的原因是：

1. 编码 / 解码 方式简单（只需要简单的数学运算 = 位移等等）
2. 采用 Protocol Buffer 自身的框架代码 和 编译器 共同完成Protocol Buffer 的数据压缩效果好（即序列化后的数据量体积小）的原因是：
   a. 采用了独特的编码方式，如 Varint、Zigzag 编码方式等等
   b. 采用 T - L - V 的数据存储方式：减少了分隔符的使用 & 数据存储得紧凑

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Question12：附加-简要阐述一下Thrift？

Answer12：

Apache Thrift 是 Facebook 实现的一种高效的、支持多种编程语言的远程服务调用的框架。

实际上，目前流行的服务调用方式有很多种，如基于 SOAP 消息格式的 Web Service，基于 JSON 消息格式的 RESTful 服务等。其中所用到的数据传输方式包括 XML，JSON 等，然而 XML 相对体积太大，传输效率低，JSON 体积较小，新颖，但还不够完善。

Thrift采用接口描述语言定义并创建服务，支持可扩展的跨语言服务开发，所包含的代码生成引擎可以在多种语言中，如 C++, Java, Python, PHP, Ruby, Erlang, Perl, Haskell, C#, Cocoa,Smalltalk 等创建高效的、无缝的服务，其传输数据采用二进制格式，相对 XML 和 JSON 体积更小，对于高并发、大数据量和多语言的环境更有优势。

为什么要 Thrift：
1、多语言开发的需要
2、性能问题

对于上图所示，阐述使用Thrift两个原因：
1、多语言开发的需要 ：.thrift文件和编程语言一起通过Thrift代码生成器，这样，由于.thrift文件的存在，Thrift很好的解决了多语言程序的问题。
2、性能问题：Thrift传输数据采用二进制格式，相对 XML 和 JSON 体积更小，对于高并发、大数据量和多语言的环境更有优势，很好的解决性能问题。

转载：https://blog.csdn.net/qq_36963950/article/details/105266425