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2021-08-02

高性能通讯框架——Netty

Netty是什么？

Netty是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络IO程序
Netty主要针对在TCP协议下，面向Clients端的高并发应用，或者Peer-to-Peer场景下的大量数据持续传输的应用
Netty本质是一个NIO框架，适用于服务器通讯相关的多种应用场景

Netty的应用场景

分布式服务的远程服务调用RPC框架，比如Dubbo就采用Netty框架做RPC
Netty作为高性能的基础通信组件，提供了TCP/UDP、HTTP等协议栈，并且能够定制和开发私有协议栈

在学习Netty之前，我们先来看一下为什么Netty能够被广泛使用。

一、IO模型

什么是I/O模型？

简单理解就是用什么样的通道进行数据的发送和接收，并且很大程序上决定了程序通信的性能。

Java中支持的3种网络编程模型/IO模式

BIO同步且阻塞

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端就需要启动一个线程进行处理。适用于连接数较小且固定的机构，对服务器资源要求比较高，如果这个连接不做任何事情就会造成不必要的线程开销。

NIO同步非阻塞

服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即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请求就进行处理。选择器Selector来维护连接通道channel。Netty框架基于NIO实现。

AIO异步非阻塞

AIO引入异步通道的概念，采用了Proactor模式，简化了编程，有效的请求才启动线程。由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般应用于连接数较多且连接时间较长的应用。

二、BIO模型

每次读写请求都会创建一个线程去处理。

高性能通讯框架——Netty

BIO模型

2.1 BIO编程流程

服务端启动一个ServerSocket
客户端发送请求后，先咨询服务器是否有线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝
如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行

服务端

public class BIOMain {
    public static void main(String[] args) {
        ServerSocket serverSocket = null;
        try {
            serverSocket = new ServerSocket();
            serverSocket.bind(new InetSocketAddress(6666));
            System.out.println("服务器已启动，端口号：6666");
            while (true){
                System.out.println("等待客户端连接...");
                // 等待客户端连接，当没有客户端连接时，会阻塞
                Socket socket = serverSocket.accept();
                System.out.println("客户端：" + socket.getLocalAddress() + "连接成功");
                // 每当有客户端连接进来，就启动一个线程进行处理
                new BioServer(socket).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if(serverSocket !=null) {
                System.out.println("服务器关闭了");
                try {
                    serverSocket.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }
    }
}

客户端：

public class BioServer extends Thread {

    private Socket socket;

    public BioServer(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                BufferedInputStream bufferedInputStream =
                        new BufferedInputStream(socket.getInputStream());
                byte[] bytes = new byte[1024];
                System.out.println("等待数据发送...");
                // 当没有数据的时候，这个地方会阻塞
                int read = bufferedInputStream.read(bytes, 0, 1024);
                String result = new String(bytes, 0, read);
                System.out.println(">>> " + result);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

缺点：每来一个连接都会创建一个线程，消耗CPU资源，如果加上线程池也效果不好，因为它在处理连接Accept和Read地方会造成线程阻塞，浪费资源。

三、NIO模型

我们知道BIO模型主要问题就在线程阻塞的地方，因此，NIO引入Selector就解决了线程阻塞的问题。

public class NioServer {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 1. 创建一个ServerSocketChannel
            ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();

            // 2. 获取绑定端口
            serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(6666));

            // 3. 设置为非阻塞模式
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);

            // 4. 获取Selector
            Selector selector = Selector.open();

            // 5. 将serverSocketChannel注册到selector上, 并且设置selector对客户端Accept事件感兴趣
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

            // 6. 循环等待客户端连接
            while (true) {
                // 当没有事件注册到selector时，继续下一次循环
                if (selector.select(1000) == 0) {
                    //System.out.println("当前没有事件发生，继续下一次循环");
                    continue;
                }
                // 获取相关的SelectionKey集合
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> it = selectionKeys.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    SelectionKey selectionKey = it.next();
                    // 基于事件处理的handler
                    handler(selectionKey);
                    it.remove();
                }
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
 * 基于事件处理的，根据key对应的通道发生的事件做相应的处理
 * @param selectionKey
 * @throws IOException
 */
    private static void handler(SelectionKey selectionKey) throws IOException {
        if (selectionKey.isAcceptable()) {  // 如果是OP_ACCEPT事件，则表示有新的客户端连接
            ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
            // 给客户端生成相应的Channel
            SocketChannel socketChannel = channel.accept();
            // 将socketChannel设置为非阻塞
            socketChannel.configureBlocking(false);
            System.out.println("客户端连接成功...生成socketChannel");
            // 将当前的socketChannel注册到selector上, 关注事件：读， 同时给socketChannel关联一个Buffer
            socketChannel.register(selectionKey.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));
        } else if (selectionKey.isReadable()) { // 如果是读取事件
            // 通过key反向获取Channel
            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            // 获取该channel关联的buffer
            //ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) selectionKey.attachment();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);

            // 把当前channel数据读到buffer里面去
            socketChannel.read(buffer);
            System.out.println("从客户端读取数据："+new String(buffer.array()));

            //
            ByteBuffer buffer1 = ByteBuffer.wrap("hello client".getBytes());
            socketChannel.write(buffer1);
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
        } else if (selectionKey.isWritable()){ // 如果是写事件
            SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) selectionKey.channel();
            System.out.println("写事件");
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }
}

为了方便大家清晰地认识NIO架构，下面以一个总体流程图来展示：

高性能通讯框架——Netty

NIO

说起NIO，就必须要知道其三大核心模块：

NIO三大核心部分：

Channel通道：客户端与服务端之间的双工连接通道。所以在请求的过程中，客户端与服务端中间的Channel就在不停地执行“连接、询问、断开”的过程。直到数据准备好，再通过Channel传回来。Channel主要有4个类型：FileChannel(从文件读取数据)、DatagramChannel(读写UDP网络协议数据)、SocketChannel(读写TCP网络协议数据)、ServerSocketChannel(可以监听TCP连接)

Buffer缓冲区：客户端存放服务端信息的一个缓冲区容器，服务端如果把数据准备好了，就会通过Channel往Buffer缓冲区里面传。Buffer有7个类型：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer。

Selector选择器：服务端选择Channel的一个复用器。Selector有两个核心任务：监控数据是否准备好，应答Channel。

NIO工作原理：

NIO是面向缓冲区编程的。它是将数据读取到缓冲区中，需要时可在缓冲区前后移动。

NIO工作模式——非阻塞模式：

Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能获得目前可用的数据，如果目前没有数据可用，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞。

NIO特点：

一个线程维护一个Selector, Selector维护多个Channel, 当channel有事件时，则该线程进行处理。

BIO和NIO的对比

BIO以流的方式处理数据，NIO以块的方式处理数据，块的方式处理数据比流的效率高
BIO是阻塞的，而NIO是非阻塞的
BIO是基于字节流和字符流进行操作，而NIO是基于channel和buffer进行操作，数据从通道读到缓冲区或者从缓冲区写到通道中，selector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

NIO缺点：

编程复杂，缓冲区Buffer要考虑读写指针切换。而Netty把它封装之后，进行优化并提供了一个易于操作的使用模式和接口，因此Netty就被广泛使用于通信框架。

三、Netty

Netty是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，它底层封装了NIO。

Netty框架：

Netty执行流程

Netty与NIO服务端和客户端的区别

	Netty	NIO
服务端	NioServerSocketChannel	ServerSocketChannel
客户端	NioSocketChannel	SocketChanel

线程模型

基于主从Reactor多线程模型，它维护两个线程池，一个是处理Accept连接，另一个是处理读写事件。

服务端：

@Slf4j
public class TcpServer extends Thread {
    private Integer port;
    public TcpServer(Integer port){
        this.port = port;
    }

    @Override
 public void run() {
        // 根据主机名和端口号创建ip套接字地址（ip地址+端口号）
        InetSocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(port);
        // 主线程组，处理Accept连接事件的线程，这里线程数设置为1即可，netty处理链接事件默认为单线程，过度设置反而浪费cpu资源
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        // 工作线程，处理hadnler的工作线程，其实也就是处理IO读写，线程数据默认为 CPU 核心数乘以2
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        // 创建ServerBootstrap实例
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap()
                .group(bossGroup, workerGroup) //初始化ServerBootstrap的线程组
                .channel(NioServerSocketChannel.class)  // 设置将要被实例化的ServerChannel类
                .childHandler(new ServerChannelInitializer()) // 初始化ChannelPipeline责任链
                .localAddress(socketAddress)
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024) //设置队列大小
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // 是否启动心跳保活机制

        try {
            // 绑定端口，开始接收进来的连接，异步连接
            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(socketAddress).sync();
            log.info("TCP服务器开始监听端口：{}", socketAddress.getPort());
            if (channelFuture.isSuccess()) {
                log.info("TCP服务启动成功-------------------");
            }

            // 主线程执行到这里就 wait 子线程结束，子线程才是真正监听和接受请求的，
            // closeFuture()是开启了一个channel的监听器，负责监听channel是否关闭的状态，
            // 如果监听到channel关闭了，子线程才会释放，syncUninterruptibly()让主线程同步等待子线程结果
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
            log.info("TCP服务已关闭");
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("tcp server exception: {}", e.getMessage());
        } finally {
            // 关闭主线程组
            bossGroup.shutdownGracefully();
            // 关闭工作组
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

自定义Handler

@Slf4j
public class TCPServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
 * 客户端连接标识
 *
 * @param ctx
 * @throws Exception
 */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        log.info("客户端已连接：{}", ctx.channel().localAddress().toString());
        // 获取当前客户端的唯一标识
        String uuid = ctx.channel().id().asLongText();
        log.info("当前连接的客户端id：{}", uuid);
        // 将其对应的标识和channel存入到map中
        CLIENT_MAP.put(uuid, ctx.channel());
    }


    /**
 * 读取客户端发送的消息
 * @param ctx
 * @param msg 客户端发送的数据
 * @throws Exception
 */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        // 使用netty提供的ByteBuf生成字节Buffer，里面维护一个字节数组，注意不是JDK自带的ByteBuffer
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        // 读取byteBuf
        // 业务处理 
        // 回消息给客户端
        
    }

    /**
 * 客户端断开连接时触发
 * 当客户端主动断开服务端的链接后，这个通道就是不活跃的。也就是说客户端与服务端的关闭了通信通道并且不可以传输数据
 *
 * @param ctx
 * @throws Exception
 */
    @Override
    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        log.info("断开前，CLIENT_MAP：{}", CLIENT_MAP);
        //当客户端断开连接时，清除map缓存的客户端信息
        CLIENT_MAP.clear();
        log.info(ctx.channel().localAddress().toString() + " 通道不活跃！并且关闭。");
        log.info("断开后，CLIENT_MAP：{}", CLIENT_MAP);
        // 关闭流
        ctx.close();
    }

    /**
 * 发生异常时触发
 *
 * @param ctx
 * @param cause
 * @throws Exception
 */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        log.error("异常情况: {}", cause.toString());
    }
    
    
    /**
 * channelRead方法执行完成后调用，发送消息给客户端
 * @param ctx
 * @throws Exception
 */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        // writeAndFlush = write + flush：将数据写入缓存，并刷新
        // 需要对发送的数据进行编码
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("收到消息，返回ok!"));
    }
}

客户端：

public class NettyClient {

    public void run(){
        // 一个事件循环组
        NioEventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 客户端启动helper
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(eventLoopGroup)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new MyClientHandler());
                        }
                    });
            System.out.println("客户端准备就绪，即将连接服务端...");
            // 连接服务端，并返回channelFuture对象，它用来进来异步通知
            // 一般在Socket编程中，等待响应结果都是同步阻塞的，而Netty则不会造成阻塞，因为ChannelFuture是采取类似观察者模式的形式进行获取结果
            ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1",6666).sync();
            // 对通道关闭进行监听
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 关闭netty
            eventLoopGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客户端自定义的Handler

public class MyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("客户端已连接..");
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("msg", CharsetUtil.UTF_8));
    }


    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        // 读取服务器发送的消息
        ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("接收到服务器：" + ctx.channel().remoteAddress() + "的消息：" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }


    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        System.out.println(cause.getMessage());
    }
}

至此，一个Netty客户端服务器就搭建完成，启动两个服务。

客户端控制台打印结果：

客户端准备就绪，即将连接服务端...

客户端已连接..

接收到服务器：/127.0.0.1:6666的消息：服务器收到了你的消息，并给你发送一个ok

服务端控制台打印结果：

服务端已经准备就绪

来源：

https://www.toutiao.com/i6930944968446362123/

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