前言

关于Netty的学习，最近看了不少有关视频和书籍，也收获不少，希望把我知道的分享给你们，一起加油，一起成长。本篇文章我们就开始对 Netty来进行深入分析，首先我们来了解一下 JAVA NIO 、AIO的不足之处。

Java原生API之痛

虽然JAVA NIO 和 JAVA AIO框架提供了多路复用IO/异步IO的支持，但是并没有提供上层“信息格式”的良好封装。用这些API实现一款真正的网络应用则并非易事。

JAVA NIO 和 JAVA AIO并没有提供断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常码流等的处理，这些都需要开发者自己来补齐相关的工作。

AIO在实践中，并没有比NIO更好。AIO在不同的平台有不同的实现，windows系统下使用的是一种异步IO技术：IOCP；Linux下由于没有这种异步 IO 技术，所以使用的是epoll 对异步 IO 进行模拟。所以 AIO 在 Linux 下的性能并不理想。AIO 也没有提供对 UDP 的支持。

综上，在实际的大型互联网项目中，Java 原生的 API 应用并不广泛，取而代之的是一款第三方Java 框架，这就是Netty。

Netty的优势

Netty 提供 异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

非阻塞 I/O

Netty 是基于 Java NIO API 实现的网络应用框架，使用它可以快速简单的开发网络应用程序，如服务器和客户端程序。Netty 大大简化了网络程序开发的过程，如 TCP 和 UDP 的 Socket 服务的开发。

由于是基于 NIO 的 API，因此，Netty 可以提供非阻塞的 I/O操作，极大地提升了性能。同时，Netty 内部封装了 Java NIO API 的复杂性，并提供了线程池的处理，使得开发 NIO 的应用变得极其简单。

丰富的协议

Netty 提供了简单、易用的 API ,但这并不意味着应用程序会有难维护和性能低的问题。Netty 是一个精心设计的框架，它从许多协议的实现中吸收了很多的经验，如 FTP 、SMTP、 HTTP、许多二进制和基于文本的传统协议。

Netty 支持丰富的网络协议，如TCP、 UDP、 HTTP、 HTTP/2、 WebSocket、 SSL/TLS等，这些协议实现开箱即用，因此，Netty 开发者能够在不失灵活的前提下来实现开发的简易性、高性能和稳定性。

异步和事件驱动

Netty 是异步事件驱动的框架，该框架体现为所有的I/O操作都是异步的，所有的I/O调用会立即返回，并不保证调用成功与否，但是调用会返回ChannelFuture。Netty 会通过 ChannelFuture通知调用是成功了还是失败了，抑或是取消了。

同时，Netty 是基于事件驱动的，调用者并不能立即获得结果，而是通过事件监听机制，用户可以方便地主动获取或者通过通知机制获得I/O操作的结果。

当Future对象刚刚创建时，处于非完成状态，调用者可以通过返回的ChannelFuture来获取操作执行的状态，再通过注册监听函数来执行完成后的操作，常见有如下操作：

  • 通过isDone方法来判断当前操作是否完成。
  • 通过isSuccess方法来判断已完成的当前操作是否成功。
  • 通过getCause方法来获取已完成的当前操作失败的原因。
  • 通过isCancelled方法来判断已完成的当前操作是否被取消。
  • 通过addListener方法来注册监听器，当操作已完成(isDone方法返回完成)，将会通知指定的监听器；如果future对象已完成，则立即通知指定的监听器。

例如：下面的代码中绑定端口是异步操作，当绑定操作处理完，将会调用相应的监听器处理逻辑。

serverBootstrap.bind(port).addListener(future -> { if(future.isSuccess()){ System.out.println("端口绑定成功！"); }else { System.out.println("端口绑定失败！"); } });

相比传统的阻塞 I/O，Netty 异步处理的好处是不会造成线程阻塞，线程在 I/O操作期间可以执行其他的程序，在高并发情形下会更稳定并拥有更高的吞吐量。

精心设计的API

Netty 从开始就为用户提供了体验最好的API及实现设计。

例如，在用户数较小的时候可能会选择传统的阻塞API，毕竟与 Java NIO 相比使用阻塞 API 将会更加容易一些。然而，当业务量呈指数增长并且服务器需要同时处理成千上万的客户连接，便会遇到问题。这种情况下可能会尝试使用 Java NIO，但是复杂的 NIO Selector 编程接口又会耗费大量的时间并最终会阻碍快速开发。

Netty 提供了一个叫作 channel的统一的异步I/O编程接口，这个编程接口抽象了所有点对点的通信操作。也就是说，如果应用是基于Netty 的某一种传输实现，那么同样的，应用也可以运行在 Netty 的另一种传输实现上。Channel常见的子接口有：

netty 框架学习第一个netty 应用（Netty源码分析系列一）(1)

丰富的缓冲实现

Netty 使用自建的缓存 API，而不是使用 Java NIO 的 ByteBuffer 来表示一个连续的字节序列。与 ByteBuffer 相比，这种方式拥有明显的优势。

Netty 使用新的缓冲类型 ByteBuf ,并且被设计为可从底层解决 ByteBuffer 问题，同时还满足日常网络应用开发需要的缓冲类型。

Netty 重要有以下特性：

  • 允许使用自定义的缓冲类型。
  • 复合缓冲类型中内置透明的零拷贝实现。
  • 开箱即用动态缓冲类型，具有像 StringBuffer 一样的动态缓冲能力。
  • 不再需要调用flip()方法。
  • 正常情况下具有比ByteBuffer更快的响应速度。
高效的网络传输

Java 原生的序列化主要存在以下几个弊端：

  • 无法跨语言。
  • 序列化后码流太大。
  • 序列化后性能太低。

业界有非常多的框架用于解决上述问题，如 Google Protobuf 、JBoss Marshalling、Facebook Thrift等。针对这些框架，Netty 都提供了相应的包将这些框架集成到应用中。同时，Netty 本身也提供了众多的编解码工具，方便开发者使用。开发者可以基于 Netty 来开发高效的网络传输应用，例如：高性能的消息中间件 Apache RocketMQ、高性能RPC框架Apache Dubbo等。

Netty 核心概念

netty 框架学习第一个netty 应用（Netty源码分析系列一）(2)

从上述的架构图可以看出，Netty 主要由三大块组成：

  • 核心组件
  • 传输服务
  • 协议
核心组件

核心组件包括：事件模型、字节缓冲区和通信API

事件模型

Netty 是基于异步事件驱动的，该框架体现为所有的I/O操作都是异步的，调用者并不能立即获得结果，而是通过事件监听机制，用户可以方便地主动获取或者通过通知机制获得I/O操作的结果。

Netty 将所有的事件按照它们与入站或出站数据流的相关性进行了分类。

可能由入站数据或者相关的状态更改而触发的事件包括以下几项：

  • 连接已被激活或者连接失活。
  • 数据读取。
  • 用户事件。
  • 错误事件。

出站事件是未来将会触发的某个动作的操作结果，包括以下动作：

  • 打开或者关闭到远程节点的连接。
  • 将数据写到或者冲刷到套接字。

每个事件都可以被分发到ChannelHandler类中的某个用户实现的方法。

字节缓冲区

Netty 使用了区别于Java ByteBuffer 的新的缓冲类型ByteBuf,ByteBuf提供了丰富的特性。

通信API

Netty 的通信API都被抽象到Channel里，以统一的异步I/O编程接口来满足所有点对点的通信操作。

传输服务

Netty 内置了一些开箱即用的传输服务。因为并不是它们所有的传输都支持每一种协议，所以必须选择一个和应用程序所使用的协议相兼容的传输。以下是Netty提供的所有的传输。

NIO

io.netty.channel.socket.nio包用于支持NIO。该包下面的实现是使用java.nio.channels包作为基础（基于选择器的方式）。

epoll

io.netty.channel.epoll包用于支持由 JNI 驱动的 epoll 和 非阻塞 IO。

需要注意的是，这个epoll传输只能在 Linux 上获得支持。epoll同时提供多种特性，如：SO_REUSEPORT 等，比 NIO传输更快，而且是完全非阻塞的。

OIO

io.netty.channel.socket.oio包用于支持使用java.net包作为基础的阻塞I/O。

本地

io.netty.channel.local包用于支持在 VM 内部通过管道进行通信的本地传输。

内嵌

io.netty.channel.embedded包作为内嵌传输，允许使用ChannelHandler而又不需要一个真正的基于网络的传输。

协议支持

Netty 支持丰富的网络协议，如TCP、 UDP、 HTTP、 HTTP/2、 WebSocket、 SSL/TLS等，这些协议实现开箱即用，因此，Netty 开发者能够在不失灵活的前提下来实现开发的简易性、高性能和稳定性。

Netty简单应用引入Maven依赖

<dependency> <groupId>io.netty</groupId> <artifactId>netty-all</artifactId> <version>4.1.49.Final</version> </dependency>

服务端的管道处理器

public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { //读取数据实际(这里我们可以读取客户端发送的消息) /* 1. ChannelHandlerContext ctx:上下文对象, 含有 管道pipeline , 通道channel, 地址 2. Object msg: 就是客户端发送的数据 默认Object */ @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { System.out.println("server ctx =" ctx); Channel channel = ctx.channel(); //将 msg 转成一个 ByteBuf //ByteBuf 是 Netty 提供的，不是 NIO 的 ByteBuffer. ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; System.out.println("客户端发送消息是:" buf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); System.out.println("客户端地址:" channel.remoteAddress()); } //数据读取完毕 @Override public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { //writeAndFlush 是 write flush //将数据写入到缓存，并刷新 //一般讲，我们对这个发送的数据进行编码 ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("公司最近账户没啥钱，再等几天吧！", CharsetUtil.UTF_8)); } //处理异常, 一般是需要关闭通道 @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { ctx.close(); } }

NettyServerHandler继承自ChannelInboundHandlerAdapter，这个类实现了ChannelInboundHandler接口。ChannelInboundHandler提供了许多事件处理的接口方法。

这里覆盖了channelRead()事件处理方法。每当从客户端收到新的数据时，这个方法会在收到消息时被调用。

channelReadComplete()事件处理方法是数据读取完毕时被调用，通过调用ChannelHandlerContext的writeAndFlush()方法，把消息写入管道，并最终发送给客户端。

exceptionCaught()事件处理方法是，当出现Throwable对象时才会被调用。

服务端主程序

public class NettyServer { public static void main(String[] args) throws Exception { //创建BossGroup 和 WorkerGroup //说明 //1. 创建两个线程组 bossGroup 和 workerGroup //2. bossGroup 只是处理连接请求 , 真正的和客户端业务处理，会交给 workerGroup完成 //3. 两个都是无限循环 //4. bossGroup 和 workerGroup 含有的子线程(NioEventLoop)的个数 // 默认实际 cpu核数 * 2 // EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); //8 try { //创建服务器端的启动对象，配置参数 ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); //使用链式编程来进行设置 bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组 .channel(NioServerSocketChannel.class) //bossGroup使用NioSocketChannel 作为服务器的通道实现 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 设置线程队列得到连接个数 option主要是针对boss线程组， .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) //设置保持活动连接状态 child主要是针对worker线程组 .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//workerGroup使用 SocketChannel创建一个通道初始化对象 (匿名对象) //给pipeline 设置处理器 @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { //可以使用一个集合管理 SocketChannel， 再推送消息时，可以将业务加入到各个channel 对应的 NIOEventLoop 的 taskQueue 或者 scheduleTaskQueue ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler()); } }); // 给我们的workerGroup 的 EventLoop 对应的管道设置处理器 System.out.println(".....服务器 is ready..."); //绑定一个端口并且同步, 生成了一个 ChannelFuture 对象 //启动服务器(并绑定端口) ChannelFuture cf = bootstrap.bind(7788).sync(); //给cf 注册监听器，监控我们关心的事件 cf.addListener(new ChannelFutureListener() { @Override public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception { if (cf.isSuccess()) { System.out.println("服务已启动,端口号为7788..."); } else { System.out.println("服务启动失败..."); } } }); //对关闭通道进行监听 cf.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } } }

NioEventLoopGroup是用来处理I/O操作的多线程事件循环器。Netty 提供了许多不同的EventLoopGroup的实现来处理不同的传输。

上面的服务端应用中，有两个NioEventLoopGroup被使用。第一个叫作bossGroup，用来接收进来的连接。第二个叫作workerGroup，用来处理已经被接收的连接，一旦 bossGroup接收连接，就会把连接的信息注册到workerGroup上。

ServerBootstrap是一个NIO服务的引导启动类。可以在这个服务中直接使用Channel。

  • group方法用于 设置EventLoopGroup。
  • 通过Channel方法，可以指定新连接进来的Channel类型为NioServerSocketChannel类。
  • childHandler用于指定ChannelHandler，也就是前面实现的NettyServerHandler。
  • 可以通过option设置指定的Channel来实现NioServerSocketChannel的配置参数。
  • childOption主要设置SocketChannel的子Channel的选项。
  • bind用于绑定端口启动服务。
客户端管道处理器

public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { //当通道就绪就会触发该方法 @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { System.out.println("client ctx =" ctx); ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("老板，工资什么时候发给我啊？", CharsetUtil.UTF_8)); } //当通道有读取事件时，会触发 @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; System.out.println("服务器回复的消息:" buf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); System.out.println("服务器的地址： " ctx.channel().remoteAddress()); } //处理异常, 一般是需要关闭通道 @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }

channelRead方法中将接收到的消息转化为字符串，方便在控制台上打印出来。

channelRead接收到的消息类型为ByteBuf，ByteBuf提供了转为字符串的方便方法。

客户端主程序

public class NettyClient { public static void main(String[] args) throws Exception { //客户端需要一个事件循环组 EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); try { //创建客户端启动对象 //注意客户端使用的不是 ServerBootstrap 而是 Bootstrap Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); //设置相关参数 bootstrap.group(group) //设置线程组 .channel(NioSocketChannel.class) // 设置客户端通道的实现类(反射) .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler()); //加入自己的处理器 } }); System.out.println("客户端 ok.."); //启动客户端去连接服务器端 //关于 ChannelFuture 要分析，涉及到netty的异步模型 ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect("127.0.0.1", 7788).sync(); //给关闭通道进行监听 channelFuture.channel().closeFuture().sync(); } finally { group.shutdownGracefully(); } } }

客户端只需要一个NioEventLoopGroup就可以了。

测试运行

分别启动服务器 NettyServer 和客户端 NettyClient程序

服务端控制台输出内容：

.....服务器 is ready... 服务已启动,端口号为7788... server ctx =ChannelHandlerContext(NettyServerHandler#0, [id: 0xa1b2233c, L:/127.0.0.1:7788 - R:/127.0.0.1:63239]) 客户端发送消息是:老板，工资什么时候发给我啊？ 客户端地址:/127.0.0.1:63239

客户端控制台输出内容：

客户端 ok.. client ctx =ChannelHandlerContext(NettyClientHandler#0, [id: 0x21d6f98e, L:/127.0.0.1:63239 - R:/127.0.0.1:7788]) 服务器回复的消息:公司最近账户没啥钱，再等几天吧！ 服务器的地址： /127.0.0.1:7788

至此，一个简单的基于Netty开发的服务端和客户端就完成了。

总结

本篇文章主要讲解了 Netty 产生的背景、特点、核心组件及如何快速开启第一个 Netty 应用。

后面我们会分析Netty架构设计、Channel、ChannelHandler、字节缓冲区ByteBuf、线程模型、编解码、引导程序等方面的知识。

原文链接：https://juejin.cn/post/6992723850672734244

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