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深入学习Netty(4)——Netty编程入门

开发技术 开发技术 38分钟前 1次浏览

前言

  从学习过BIO、NIO、AIO编程之后,就能很清楚Netty编程的优势,为什么选择Netty,而不是传统的NIO编程。本片博文是Netty的一个入门级别的教程,同时结合时序图与源码分析,以便对Netty编程有更深的理解。

  在此博文前,可以先学习了解前几篇博文:

  • 深入学习Netty(1)——传统BIO编程
  • 深入学习Netty(2)——传统NIO编程
  • 深入学习Netty(3)——传统AIO编程

  参考资料《Netty In Action》、《Netty权威指南》(有需要的小伙伴可以评论或者私信我)

  博文中所有的代码都已上传到Github,欢迎Star、Fork

 

一、服务端创建

Netty屏蔽了NIO通信的底层细节,减少了开发成本,降低了难度。ServerBootstrap可以方便地创建Netty的服务端

1.服务端代码示例

public void bind (int port) throws Exception {
        // NIO 线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
            bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        // Java序列化编解码 ObjectDecoder ObjectEncoder
                        // ObjectDecoder对POJO对象解码,有多个构造函数,支持不同的ClassResolver,所以使用weakCachingConcurrentResolver
                        // 创建线程安全的WeakReferenceMap对类加载器进行缓存SubReqServer
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            // 半包处理 ProtobufVarint32FrameDecoder
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder());
                            // 添加ProtobufDecoder解码器,需要解码的目标类是SubscribeReq
                            socketChannel.pipeline().addLast(
                                    new ProtobufDecoder(SubscribeReqProto.SubscribeReq.getDefaultInstance()));
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender());
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufEncoder());
                            socketChannel.pipeline().addLast(new SubReqServerHandler());
                        }
                    });
            // 绑定端口,同步等待成功
            ChannelFuture f = bootstrap.bind(port).sync();
            // 等待所有服务端监听端口关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // 优雅退出,释放线程池资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();

        }

    }

2.服务端时序图

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(1)创建ServerBootstrap实例

  是Netty服务端启动的辅助类,提供了一系列的方法用于设置服务端自动相关参数,降低开发难度;

(2)设置并绑定Reactor线程池

  Netty的Reactor线程池(I/O 复用 + 线程池)是EventLoopGroup,实际上就是EventLoop数组,EventLoop处理所有注册到本线程的多路复用器Selector上的Channel,Selector的轮询操作由绑定的EventLoop线程run方法驱动,在一个循环体内循环执行。EventLoop不仅执行I/O事件,也能执行用户自定义的Task和定时任务Task

(3)设置并绑定服务端Channel

需要创建ServerSocketChannel,对应的实现类就是NioServerSocketChannel。ServerBootstrap的channel方法用于指定服务端的Channel类型

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通过反射创建NioServerSocketChannel对象

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通过调用无参默认的构造方法生成channel

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(4)创建并初始化ChannelPipeline

  本质上是一个负责处理网络事件的职责链,负责管理与执行ChannelHandler。 ChannelPipeline为ChannelHandler链提供了容器,并定义了用于在该链上传播入站和出站事件流的API。当Channel被创建时,他会自动的分配到它专属的ChannelPipeline。典型的网络事件包括:

  • 链路注册
  • 链路激活
  • 链路断开
  • 接收到请求消息
  • 处理请求消息
  • 发送应答消息
  • 链路发生异常
  • 发送用户自定义事件

(5)添加ChannelHandler

  这是Netty提供给用户定制与扩展的关键接口,利用此可以完成大部分的功能定制。如:码流日志打印LoggingHandler、基于长度的半包解码器LengthFiledBasedFrameDecoder…

(6)绑定并启动监听端口

  将ServerSocketChannel注册到Selector上监听客户端连接

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(7)Selector轮询

  由Reactor线程NioEventLoop负责调度和执行Selector轮询操作,选择准备好就绪的Channel集合。

(8)调度执行ChannelHandler

  当轮询到准备就绪的Channel之后,就由Reactor线程NioEventLoop执行ChannelPipeline的相应方法,最终调度并执行ChannelHandler。

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(9)执行网络事件ChannelHandler

  执行用户自定义的ChannelHandler或系统ChannelHandler,ChannelPipeline会根据事件类型,调度并执行ChannelHandler。

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3.服务端源码分析

(1)创建NioEventLoopGroup线程组

 首先通过构造函数创建ServerBootstrap实例,随后创建两个EventLoopGroup:

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  NioEventLoopGroup其实就是Reactor线程池,负责调度和执行客户端接入、网络读写事件,用户自定义任务和定时任务的执行,通过ServerBootstrap的group方法传入

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 其中父NioEventLoopGroup被传入父构造函数中

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 该方法主要是处理各种设置I/O线程、执行和调度网络事件的读写。

(2)创建NioServerSocketChannel

  线程组设置完成后,需要创建NioServerSocketChannel。根据Channel的类型(channelClass)通过反射创建Channel实例(调用newInstance()方法)

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(3)设置TCP参数

 作为服务端主要是设置TCP backlog参数

 int listen(int sockfd, int backlog);

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  backlog指定了内核为此套接口排队的最大连接个数。在服务端要接收多个客户端发起的连接,因此必不可少要使用队列来管理这些连接。其中在TCP三次握手中有两个队列,分别是半连接状态队列和全连接队列

  • 半连接状态队列:每个客户端发来的SYN报文,服务器都会把这个报文放到队列里管理,这个队列就是半连接队列,即SYN队列,此时服务器端口处于SYN_RCVD状态。之后服务器会向客户端发送SYN+ACK报文。
  • 全连接状态队列:当服务器接收到客户端的ACK报文后,就会将上述半连接队列里面对应的报文转移(注:其实不是同一个结构,会新建一个结构挂到全连接队列里)到另一个队列里管理,这个队列就是全连接队列,即ACCEPT队列,此时服务器端口处于ESTABLISHED状态。

 放一张来自网络的图:

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   backlog被规定为两个队列总和的最大值,Netty默认的目的backlog200

 

(4)为启动辅助类和其父类分别设置Handler

  childHandler是NioServerSocketChannel对应ChannelPipeline的Handler;父类中的Handler是客户端新接入的连接SocketChannel对应的ChannelPipeline的Handler

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  本质区别就是:ServerBootstrap中的Handler是NioServerSocketChannel使用的,所有连接该监听端口的客户端都会执行它;父类AbstractBootstrap中的Handler是个工厂类,会为每个新接入的客户端创建一个新的Handler

二、客户端创建

1.客户端代码示例

public void connect (String host, int port) throws Exception {
        // NIO 线程组
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            bootstrap.group(group)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            // 处理半包的ProtobufVarint32FrameDecoder一定要在解码器前面
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder());
                            // 添加ProtobufDecoder解码器,需要解码的目标类是SubscribeResp
                            socketChannel.pipeline().addLast(
                                    new ProtobufDecoder(SubscribeRespProto.SubscribeResp.getDefaultInstance()));
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender());
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ProtobufEncoder());
                            socketChannel.pipeline().addLast(new SubReqClientHandler());

                        }
                    });

            // 发起异步连接操作
            ChannelFuture f = bootstrap.connect(host, port).sync();
            // 等待所有服务端监听端口关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // 优雅退出,释放线程池资源
            group.shutdownGracefully();

        }

    }

负责处理网络读写、连接和客户端请求接入的Reactor线程就是NioEventLoop

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2.客户端时序图

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(1)创建Bootstrap实例

(2)创建客户端连接,创建线程组NioEventLoopGroup(线程数默认为CPU内核数2倍)

(3)通过ChannelFactory工厂和指定的NioSocketChannel.class类型创建用于客户端连接的NioSocketChannel

(4)创建默认的ChannelHandlerPipeline,用于调度与执行网络事件

(5)异步发起TCP连接,判断连接结果,如果成功则将NioSocketChannel注册到Selector上并置selectionKeyOP_READ,监听读操作,如果没有立即成功,则可能是服务端还没有立刻返回ACK,所以此时将连接监听位注册到Selector上,同时selectionKeyOP_CONNECT,监听连接,等待结果

(6)注册对应的监听状态位到Selector

(7)Selector轮询各NioSocketChannel,处理连接结果

(8)如果连接成功则发送成功事件,触发ChannelPipeline执行

(9)ChannelPipeline调度执行ChannelHandler(包括系统与用户自定义),执行具体业务逻辑

3.客户端源码分析

(1)客户端连接辅助类Bootstrap

BootstrapNetty提供的客户端连接工具类,用于简化客户端的创建

1)设置I/O线程组:

客户端相对于服务端,只需要一个处理I/O读写的线程组即可。由Bootstrapgroup方法提供,主要设置EventLoopGroup

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2)设置TCP参数

创建客户端套接字的时候通常都会设置连接参数:接收和发送缓冲区大小、连接超时时间等。

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主要的TCP参数如下:

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3)指定Channel

对于TCP客户端连接,默认使用NioSocketChannel,创建过程跟服务端是大同小异的。

4)发起客户端连接

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具体请看下面

(2)客户端连接操作

1)创建初始化NioSocketChannel,主要逻辑是initAndRegister方法

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2)注册到Selector上,主要逻辑是register方法

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3)链路成功后发起TCP连接

先获取EventLoop线程组

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然后进入doConnect()方法,调用NioSocketChannel异步发起connection

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Connect操作后有三种可能:

第一是连接成功

第二种是暂时没连接上,服务端没有返回ACK,结果暂时不确定,这时候需要将selectionKey设置为OP_CONNET,监听连接结果。

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第三种是连接失败,直接抛出异常

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异步连接成功以后,调用fulfillConnectPromise方法,触发链路激活事件,如果连接成功则触发ChannelActive事件

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此时ChannelActive事件的主要作用就是将selectionKey设置为OP_READ事件

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(3)异步连接结果通知

调用processSelectedKey方法,Selector轮询客户端连接Channel

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当服务端返回握手应答以后,对连接结果进行判断,主要调用finishConnect方法

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进入finishConnect方法:

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doFinishConnect方法主要判断JDKSocketChannel连接结果

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连接成功后进入fullfillConnectPromise方法,调用fulfillConnectPromise方法,触发链路激活事件,如果连接成功则触发ChannelActive事件:

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(4)客户端连接超时机制

JDK没有提供连接超时机制,Netty利用定时器提供客户端连接超时控制

option方法中传入TCP超时配置

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一旦定时器执行超时,说明客户端连接超时,这时候就构造超时异常,同时关闭客户端连接,释放句柄

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  如果连接超时被设置,但是定时器执行的时候并没有超时执行(在超时时间内完成),则此时connectedTimeoutFuture是不会为null的,根据此判断是否在超时时间内完成,如果完成则取消,避免再次触发定时器,实际上不管连接成功与否,只要获取到连接结果,都会删除定时器

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三、选择Netty的好处

之所以选择Netty编程,主要Netty的以下几种优势:

(1)API使用简单,开发门槛低

(2)功能强大,预置了很多编解码功能,支持多种主流协议

(3)定制能力强,可以通过ChannelHandler对通信框架进行灵活扩展

(4)性能高

(5)成熟、稳定,修复了已知所有的JDK NIO BUG

(6)社区活跃

(7)经过了大规模的商业应用考验

当然,这些是显而易见的优势,但是需要从源码中分析其优势,比如Netty的零拷贝、基于内存池的ByteBuf、高性能的序列化框架等。

 


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