Netty 入门初体验

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pjmike
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    前言

    这篇主要介绍一个Netty 客户端与服务端的示例代码，对Netty有一个直观感受，看看如何使用Netty，后续文章会对Netty的各个组件进行详细分析

    Netty简介

    Netty是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速开发可维护的高性能的面向协议的服务器和客户端。Netty主要是对java 的 nio包进行的封装

    为什么要使用 Netty

    上面介绍到 Netty是一款 高性能的网络通讯框架，那么我们为什么要使用Netty,换句话说，Netty有哪些优点让我们值得使用它，为什么不使用原生的 Java Socket编程，或者使用 Java 1.4引入的 Java NIO。接下来分析分析 Java Socket编程和 Java NIO。

    Java 网络编程

    首先来看一个Java 网络编程的例子：

    public static void main(String[] args) {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
            Socket socket = serverSocket.accept();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
            String line = "";
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                System.out.println("received: " + line);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
}

    上面展示了一个简单的Socket服务端例子,该代码只能同时处理一个连接，要管理多个并发客户端，需要为每个新的客户端Socket创建一个 新的Thread。这种并发方案对于中小数量的客户端来说还可以接受，如果是针对高并发，超过100000的并发连接来说该方案并不可取，它所需要的线程资源太多，而且任何时候都可能存在大量线程处于阻塞状态，等待输入或者输出数据就绪，整个方案性能太差。所以，高并发的场景，一般的Java 网络编程方案是不可取的。

    Java NIO

    还是先来看一个 Java NIO的例子:

    public class ServerSocketChannelDemo {
    private ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private Selector selector;

    public ServerSocketChannelDemo(int port) throws IOException {
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        selector = Selector.open();
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }

    public void listener() throws IOException {
        while (true) {
            int n = selector.select();
            if (n == 0) {
                continue;
            }
            Iterator iterator = selector.selectedKeys().iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey selectionKey = (SelectionKey) iterator.next();
                if (selectionKey.isAcceptable()) {
                    ServerSocketChannel server_channel = (ServerSocketChannel) selectionKey.channel();
                    SocketChannel socketChannel = server_channel.accept();
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                }
                if (selectionKey.isReadable()) {
                    //如果通道处于读就绪的状态
                    //读操作
                    //TODO
                }
            }
        }
    }
}

    NIO的核心部分主要有:

    • 通道 Channel
    • 缓冲区 Buffer
    • 多路复用器 Selector

    选择器 Selector 是 Java 非阻塞 I/O实现的关键，将通道Channel注册在 Selector上，如果某个通道 Channel发送 读或写事件，这个Channel处于就绪状态，会被Selector轮询出来，进而进行后续I/O操作。这种I/O多路复用的方式相比上面的阻塞 I/O模型，提供了更好的资源管理：

    • 使用较少的线程便可以处理很多连接，因此也减少了内存管理和上下文切换所带来的开销
    • 当没有I/O操作需要处理的时候，线程也可以被用于其他任务。

    尽管使用 Java NIO可以让我们使用较少的线程处理很多连接，但是在高负载下可靠和高效地处理和调度I/O操作是一项繁琐而且容易出错的任务，所以才引出了高性能网络编程专家——Netty

    Netty特性

    Netty有很多优秀的特性值得让我们去使用它(摘自《Netty实战》）：

    设计

    • 统一的API，适用于不同的协议（阻塞和非阻塞）
    • 基于灵活、可扩展的事件驱动模型
    • 高度可定制的线程模型
    • 可靠的无连接数据Socket支持（UDP）

    性能

    • 更好的吞吐量，低延迟
    • 更低的资源消耗
    • 最少的内存复制

    健壮性

    • 不再因过快、过慢或超负载连接导致OutOfMemoryError
    • 不再有在高速网络环境下NIO读写频率不一致的问题

    安全性：

    • 完整的SSL/TLS和STARTTLS的支持
    • 可用于受限环境下，如 Applet 和OSGI

    易用：

    • 详实的Javadoc和大量的示例集
    • 不需要超过 JDK 1.6+的依赖

    Netty示例代码

    下面是server 和client的示例代码，先来看看Netty代码是怎么样的，后续文章会详细分析各个模块。

    Server代码

    public class EchoServer {
    private final int port;

    public EchoServer(int port) {
        this.port = port;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new EchoServer(8888).start();
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();
        //创建EventLoopGroup，处理事件
        EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(boss,worker)
                    //指定所使用的NIO传输 Channel
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    //使用指定的端口设置套接字地址
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    //添加一个EchoServerHandler到子Channel的ChannelPipeline
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            //EchoServerHandler标志为@Shareable,所以我们可以总是使用同样的实例
                            socketChannel.pipeline().addLast(serverHandler);
                        }
                    });
            //异步的绑定服务器，调用sync()方法阻塞等待直到绑定完成
            ChannelFuture future = b.bind().sync();
            future.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关闭EventLoopGroup,释放所有的资源
            group.shutdownGracefully().sync();
            worker.shutdownGracefully().sync();
        }
    }
}

    EchoServerHandler

    @ChannelHandler.Sharable //标识一个 ChannelHandler可以被多个Channel安全地共享
public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf buffer = (ByteBuf) msg;
        //将消息记录到控制台
        System.out.println("Server received: " + buffer.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        //将接受到消息回写给发送者
        ctx.write(buffer);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        //将未消息冲刷到远程节点，并且关闭该 Channel
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.EMPTY_BUFFER)
                .addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        //打印异常栈跟踪
        cause.printStackTrace();
        //关闭该Channel
        ctx.close();
    }
}

    代码要点解读：

    • ServerBootStrap是引导类，帮助服务启动的辅助类，可以设置 Socket参数
    • EventLoopGroup是处理I/O操作的线程池，用来分配 服务于Channel的I/O和事件的 EventLoop，而NioEventLoopGroup是EventLoopGroup的一个实现类。这里实例化了两个 NioEventLoopGroup，一个 boss,主要用于处理客户端连接，一个 worker用于处理客户端的数据读写工作
    • EchoServerHandler实现了业务逻辑
    • 通过调用ServerBootStrap.bind()方法以绑定服务器

    Client 代码

    public class EchoClient {
    private final String host;
    private final int port;


    public EchoClient(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
    }

    public void start() throws InterruptedException {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .remoteAddress(new InetSocketAddress(host, port))
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            socketChannel.pipeline().addLast(new EchoClientHandler());
                        }
                    });
            ChannelFuture channelFuture = b.connect().sync();
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new EchoClient("127.0.0.1", 8888).start();
    }
}

    EchoClientHandler

    @ChannelHandler.Sharable
public class EchoClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, ByteBuf byteBuf) throws Exception {
        System.out.println("Client received: "+byteBuf.toString());
    }

    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Netty rocks",CharsetUtil.UTF_8));
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

    代码要点解读：

    • 为初始化客户端，创建了一个BootStrap实例，与ServerBootStrap一样，也是一个引导类，主要辅助客户端
    • 分配了一个 NioEventLoopGroup实例，里面的 EventLoop，处理连接的生命周期中所发生的事件
    • EchoClientHandler类负责处理业务逻辑，与服务端的EchoSeverHandler作用相似。

    参考资料 & 鸣谢

    netty
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