Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍

第 4 章 Netty 详解

一、Netty简介

1、NIO 存在的问题

  • NIO 的类库和 API 繁杂,使用麻烦:需要熟练掌握 Selector、ServerSocketChannel、SocketChannel、ByteBuffer等。
  • 需要具备其他的额外技能:要熟悉 Java 多线程编程,因为 NIO 编程涉及到 Reactor 模式,必须对多线程 和网络编程非常熟悉,才能编写出高质量的 NIO 程序。
  • 开发工作量和难度都非常大:例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流
    的处理等等。
  • JDKNIO 的 Bug:例如臭名昭著的 EpollBug,它会导致 Selector 空轮询,最终导致 CPU100%。直到 JDK1.7
    版本该问题仍旧存在,没有被根本解决。

就因为上述原因,所以JBoss基于NIO开发了Netty。

2、Netty介绍

  • Netty 是由 JBOSS 提供的一个 Java 开源框架。Netty 提供异步的、基于事件驱动的网络应用程序框架,用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序
  • Netty 可以帮助你快速、简单的开发出一个网络应用,相当于简化和流程化了 NIO 的开发过程
  • Netty 是目前最流行的 NIO 框架,Netty 在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用,知名的 Elasticsearch 、Dubbo 框架内部都采用了 Netty。

官网:https://netty.io/

Netty is an asynchronous event-driven network application framework
for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients

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3、Netty的优点

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了封装,解决了上述NIO所带的问题。

  • 设计优雅:适用于各种传输类型的统一 API 阻塞和非阻塞 Socket;基于灵活且可扩展的事件模型,可以清晰地分离关注点;高度可定制的线程模型 - 单线程,一个或多个线程池.
  • 使用方便:详细记录的 Javadoc,用户指南和示例;没有其他依赖项,JDK 5(Netty 3.x)或 6(Netty 4.x)就足够了。
  • 高性能、吞吐量更高:延迟更低;减少资源消耗;最小化不必要的内存复制。
  • 安全:完整的 SSL/TLS 和 StartTLS 支持。
  • 社区活跃、不断更新:社区活跃,版本迭代周期短,发现的 Bug 可以被及时修复,同时,更多的新功能会被加入

4、Netty版本说明

  • netty版本分为 netty3.x 和 netty4.x、netty5.x
  • 因为Netty5出现重大bug,已经被官网废弃了,目前推荐使用的是Netty4.x的稳定版本
  • netty 下载地址: https://bintray.com/netty/downloads/netty/

二、线程模型介绍

1、线程模型基本介绍

不同的线程模式,对程序的性能有很大影响,为了搞清 Netty 线程模式,我们来系统的讲解下 各个线程模式

目前存在的线程模型有:

  • 传统阻塞 I/O 服务模型 。
  • Reactor 模式 。根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同,有 3 种典型的实现
    • 单 Reactor 单线程;
    • 单 Reactor 多线程;
    • 主从 Reactor 多线程

Netty 主要基于主从 Reactor 多线程模型做了一定的改进,其中主从 Reactor 多线程模型有多 个 Reactor

2、传统阻塞 I/O 服务模型

传统阻塞 I/O 服务模型工作原理如下图所示:

其中:黄色的框表示对象, 蓝色的框表示线程,白色的框表示方法(API)

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传统阻塞 I/O 服务模型特点

  • 采用阻塞 IO 模式获取输入的数据
  • 每个连接都需要独立的线程完成数据的输入,业务处理, 数据返回

传统阻塞 I/O 服务模型存在的问题

  • 当并发数很大,就会创建大量的线程,占用很大系统资源
  • 连接创建后,如果当前线程暂时没有数据可读,该线程会阻塞在 read 操作,造成线程资源浪费3、

3、 Reactor 模式简介

Reactor 模式有多种翻译:1. 反应器模式 2. 分发者模式(Dispatcher)3. 通知者模式(notifier)

针对上面所述的传统阻塞 I/O 服务模型的 2 个缺点,Reactor提出了下面的解决方案:

  • 基于 I/O 复用模型:多个连接共用一个阻塞对象,应用程序只需要在一个阻塞对象等待,无需阻塞等待所有连
    。当某个连接有新的数据可以处理时,操作系统通知应用程序,线程从阻塞状态返回,开始进行业务处理
  • 基于线程池复用线程资源:不必再为每个连接创建线程,将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理
    Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第3张图片
    I/O复用结合线程池,就是 Reactor 模式基本设计思想,如图:

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说明:

  • 通过一个或多个输入同时传递给服务处理器(ServiceHandler)的模式(基于事件驱动)
  • 服务器端程序处理传入的多个请求,并将它们同步分派到相应的处理线程, 因此 Reactor 模式也叫 Dispatcher
    模式
  • Reactor 模式使用IO复用监听事件, 收到事件后,分发给某个线程(进程), 这点就是网络服务器高并发处理关键

Reactor 模式中 核心组成:

  • Reactor:Reactor (就是服务处理器(ServiceHandler))在一个单独的线程中运行,负责监听和分发事件,分发给适当的处理程序来对 IO 事件做出反应。 它就像公司的电话接线员,它接听来自客户的电话并将线路转移到适当的联系人;
  • Handlers:Handlers(就是事件处理器(EventHandler)),处理程序执行 I/O 事件要完成的实际事件,类似于客户想要与之交谈的公司中的实际官员。Reactor 通过调度适当的处理程序来响应 I/O 事件,处理程序执行非阻塞操作。

根据 Reactor 的数量和处理资源池线程的数量不同,有 3 种典型的实现,下面将分别进行介绍:

  • 单 Reactor 单线程
  • 单 Reactor 多线程
  • 主从 Reactor 多线程

Reactor 模式具有如下的优点:

  • 响应快,不必为单个同步时间所阻塞,虽然 Reactor 本身依然是同步的
  • 可以最大程度的避免复杂的多线程及同步问题,并且避免了多线程/进程的切换开销
  • 扩展性好,可以方便的通过增加 Reactor 实例个数来充分利用 CPU 资源
  • 复用性好,Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关,具有很高的复用性

4、单 Reactor 单线程模式

原理图:

Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第5张图片

原理说明:

  • Select 是前面 I/O 复用模型介绍的标准网络编程 API,可以实现应用程序通过一个阻塞对象监听多路连接请求
  • Reactor 对象通过 select 监控客户端请求事件, 收到事件后,通过 dispatch 进行分发
  • 如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
  • 如果不是连接请求,则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
  • Handler 会完成 Read→业务处理→Send 的完整业务流程

前面的 NIO 群聊系统就是单 Reactor 单线程模式

方案优缺点分析:

  • 优点:模型简单,没有多线程、进程通信、竞争的问题,全部都在一个线程中完成
  • 缺点:性能问题,只有一个线程,无法完全发挥多核 CPU 的性能。Handler 在处理某个连接上的业务时,整
    个进程无法处理其他连接事件,很容易导致性能瓶颈
  • 缺点:可靠性问题,线程意外终止,或者进入死循环,会导致整个系统通信模块不可用,不能接收和处理外部
    消息,造成节点故障

使用场景:客户端的数量有限,业务处理非常快速,比如 Redis 在业务处理的时间复杂度 O(1) 的情况

5、单 Reactor 多线程模式

原理图:
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原理说明:

  • Reactor 对象通过 select 监控客户端请求 事件, 收到事件后,通过 dispatch 进行分发
  • 如果建立连接请求, 则右 Acceptor 通过 accept 处理连接请求, 然后创建一个 Handler 对象处理完成连接后的各种事件
  • 如果不是连接请求,则由 reactor 分发调用连接对应的 handler 来处理
  • handler 只负责响应事件,不做具体的业务处理, 通过 read 读取数据后,会分发给后面的 worker 线程池的某个线程处理业务
  • worker 线程池会分配独立线程完成真正的业务,并将结果返回给 handler
  • handler 收到响应后,通过 send 将结果返回给 client

方案优缺点分析:

  • 优点:可以充分的利用多核 cpu 的处理能力
  • 缺点:多线程数据共享和访问比较复杂
  • 缺点: reactor 处理所有的事件的监听和响应,在单线程运行, 在高并发场 景容易出现性能瓶颈.

6、主从 Reactor 多线程

针对单 Reactor 多线程模型中,Reactor 在单线程中运行,高并发场景下容易成为性能瓶颈,可以让 Reactor 在多线程中运行

工作原理图 :

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原理说明:

  • Reactor 主线程 MainReactor 对象通过 select 监听连接事件, 收到事件后,通过 Acceptor 处理连接事件

  • 当 Acceptor 处理连接事件后,MainReactor 将连接分配给 SubReactor(有多个)

  • SubReactor 将连接加入到连接队列进行监听,并创建 handler 进行各种事件处理

  • 当有新事件发生时, subreactor 就会调用对应的 handler 处理

  • handler 先read 读取数据,然后分发给后面的 worker 线程池处理

  • worker 线程池分配独立的 worker 线程进行业务处理,并返回结果

  • handler 收到响应的结果后,再通过 send 将结果返回给 client

  • Reactor 主线程可以对应多个 Reactor 子线程, 即 MainRecator 可以关联多个 SubReactor

原理图的另一种表示,结构和上面是类似的:
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方案优缺点说明:

  • 优点:父线程与子线程的数据交互简单职责明确,父线程只需要接收新连接,子线程完成后续的业务处理。
  • 优点:父线程与子线程的数据交互简单,Reactor 主线程只需要把新连接传给子线程,子线程无需返回数据。
  • 缺点:编程复杂度较高

这种模型在许多项目中广泛使用,包括 Nginx 主从 Reactor 多进程模型,Memcached 主从多线程, Netty 主从多线程模型的支持

三、Netty 模型

1、模型原理

Netty 主要基于主从 Reactors 多线程模型(如图)做了一定的改进,其中主从 Reactor 多线程模型有多个 Reactor

从整体上看,Netty 模型如图所示:
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说明:

  • BossGroup 线程维护 Selector, 只关注 Accecpt
  • 当接收到 Accept 事件,获取到对应的 SocketChannel, 封装成 NIOScoketChannel 并注册到 Worker 线程(事件循环), 并进行维护
  • 当 Worker 线程监听到 selector 中通道发生自己感兴趣的事件后,就进行处理(就由 handler), 注意 handler 已经加入到通道

更加详细的的模型如下图所示:
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Netty模型原理说明:

  • Netty 抽象出两组线程池: BossGroup 专门负责接收客户端的连接、WorkerGroup 专门负责网络的读写

  • BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup 。NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组, 这个组中含有多个事件循环 ,每一个事件循环是 NioEventLoop

  • NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程, 每个 NioEventLoop 都有一个 selector, 用于监听绑 定在其上的 socket 的网络通讯

  • 每个 BossNioEventLoop 循环执行的步骤有 3 步

    • 轮询 accept 事件
    • 处理 accept 事件 , 与 client 建立连接 , 生成 NioScocketChannel , 并将其注册到某个 worker NIOEventLoop 上 的 selector
    • 处理任务队列的其他任务 , 即 runAllTasks
  • 每个 WorkerNIOEventLoop 循环执行的步骤

    • 轮询 read,write 事件
    • 在对应 NioScocketChannel上进行 处理 i/o 事件, 即 read,write 事件
    • 处理任务队列的其他任务 , 即 runAllTasks
  • 每个WorkerNIOEventLoop 处理业务时,会使用pipeline(管道),pipeline 中包含了 channel, 即通过pipeline 可以获取到对应通道, 管道中维护了很多的 处理器

2、应用实例1-服务器客户端通信

Netty 服务器在 6666 端口监听,客户端能发送消息给服务器 “hello, 服务器”。服务器可以回复消息给客户端 “hello, 客户端”

注意运行前需要使用Maven导入Netty的包或者依赖

服务器端代码:

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //创建 bossGroup 和 workerGroup
        //bossGroup 只处理连接请求,workerGroup 处理客户端业务
        //两个都是无限循环
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {

            //创建一个服务器端启动对象,并设置参数
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

            //使用链式编程来设置启动器
            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)//设置使用NioServerSocketChannel作为服务器的通道实现
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) //设置线程队列可以得到的连接个数
                    .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) //设置保持活动连接状态
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { //创建一个管道测试对象
                        //给pipeline设置处理器
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            //在管道中加入自定义的处理器(NettyServerHandler)
                            ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                        }
                    }); //给workerGroup 的 EventLoop 对应的管道设置处理器

            System.out.println("服务器 is ready");

            //绑定端口并同步,生成一个 ChannelFuture对象
            //启动服务器
            ChannelFuture cf = serverBootstrap.bind(6666).sync();

            //对关闭通道进行监听
            cf.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关闭线程组
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

NettyServerHandler:

/**
 * 该类用于实际处理数据,需要继承Netty规定好的HandlerAdapter
 *
 */
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 用于读取(接收)数据
     * @param ctx 上下文对象,其中包含了管道pipeline,通道channel,地址等信息
     * @param msg 客户端发送的信息
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        System.out.println("server ctx = " + ctx);
        //将msg转为一个ByteBuf对象
        //ByteBuf是 Netty提供的,与NIO的ByteBuffer不同
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("客户端发送的信息是:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("客户端地址为:" + ctx.channel().remoteAddress());
    }

    /**
     * 定义数据读取完毕后的操作
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        //writeAndFlush作用的是将数据写到缓冲区并发送
        //需要对发送的数据进行编码
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    /**
     * 处理异常,一般是关闭通道
     * @param ctx
     * @param cause
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
}

客户端代码:

public class NettyClient {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //创建事件组
        EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            //创建客户端启动对象
            //注意客户端是Bootstrap,不是ServerBootstrap
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();

            //设置相关的参数
            bootstrap.group(eventLoopGroup) //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());
                        }
                    });

            System.out.println("客户端 is ok");

            //启动客户端连接服务器端,异步
            ChannelFuture sync = bootstrap.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 6666)).sync();

            //对通道关闭进行监听
            sync.channel().closeFuture().sync();

        } finally {
            eventLoopGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

NettyClientHandler:

public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    //当通道就绪就会触发
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("client ctx : " + ctx);
        //向服务器端发送消息
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello, 服务器", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //接收服务端发送的消息
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("服务器回复:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        System.out.println("服务器地址:" + ctx.channel().remoteAddress());
    }

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

运行结果:

服务端输出:

服务器 is ready
server ctx = ChannelHandlerContext(NettyServerHandler#0, [id: 0x67909ee8, L:/127.0.0.1:6666 - R:/127.0.0.1:3991])
客户端发送的信息是:hello, 服务器
客户端地址为:/127.0.0.1:3991

客户端输出:

客户端 is ok
client ctx : ChannelHandlerContext(NettyClientHandler#0, [id: 0xabaaab32, L:/127.0.0.1:3991 - R:/127.0.0.1:6666])
服务器回复:hello,客户端
服务器地址:/127.0.0.1:6666

注意

对于服务器端的 bossGroup 和 workerGroup 分别对应模型中的两个NioEventLoopGroup。其中每个NioEventLoopGroup下面NioEventLoop的数目(线程数目)默认为CPU的核数 * 2。如果需要设定,可以直接在构造函数传入,如代码第一行

//EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

CPU的核数可以通过下面的代码查看,我的是4核,而创建的NioEventLoop就是8个

System.out.println(NettyRuntime.availableProcessors());

可以在debug中看到从看到,如下图。同时也可以看出多个NioEventLoop是使用EventExecutor管理的。
Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第11张图片

任务队列中的 Task 有 3 种典型使用场景

  • 用户程序自定义的普通任务
  • 用户自定义定时任务
  • 非当前 Reactor 线程调用 Channel 的各种方法

示例:

/**
 * 该类用于实际处理数据,需要继承Netty规定好的HandlerAdapter
 *
 */
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 用于读取(接收)数据
     * @param ctx 上下文对象,其中包含了管道pipeline,通道channel,地址等信息
     * @param msg 客户端发送的信息
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        //比如这里我们有一个非常耗时长的业务-> 异步执行
        // -> 提交该 channel 对应的 NIOEventLoop 的 taskQueue 中,

        ctx.channel().eventLoop().execute(()->{
            try {
                Thread.sleep(5000);
                ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 客户端-1", CharsetUtil.UTF_8));

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

        //这个任务和上面的任务放到同一个eventLoop的taskQueue
        //所以这两个任务是串行执行的
        ctx.channel().eventLoop().execute(()->{
            try {
                Thread.sleep(10000);
                ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 客户端-2", CharsetUtil.UTF_8));

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

        //解决方案 2: 用户自定义定时任务 -》 该任务是提交到 scheduledTaskQueue 中
        ctx.channel().eventLoop().schedule(()->{
            try {
                Thread.sleep(10000);
                ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello 客户端-2", CharsetUtil.UTF_8));

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 5, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

3、应用实例2-实现HTTP 服务

Netty 服务器在 8888 端口监听,浏览器发出请求 http://localhost:8888/

服务器可以回复消息给客户端 “Hello,客户端”, 并对特定请求资源进行过滤.

实例代码:

NettyHttpServer(Http服务器)

public class NettyHttpServer {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //创建 bossGroup 和 workerGroup
        //bossGroup 只处理连接请求,workerGroup 处理客户端业务
        //两个都是无限循环
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        try {
            //创建一个服务器端启动对象,并设置参数
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

            serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .childHandler(new NettyHttpServerInitializer());

            ChannelFuture channelFuture = serverBootstrap.bind(8888).sync();

            System.out.println("服务端 is ready");

            channelFuture.channel().closeFuture().sync();

        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }

    }

}

NettyHttpServerInitializer(Channel初始化器),可以向ChannelPipeline加入handler

public class NettyHttpServerInitializer extends ChannelInitializer<SocketChannel> {

    //向管道加入处理器
    @Override
    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

        //得到管道
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();

        //加入netty提供的httpServerCodec =》(code + decode)
        //HttpServerCodec 是netty提供的http编码-解码器
        pipeline.addLast(new HttpServerCodec());

        //添加自定义handler
        pipeline.addLast(new NettyHttpServerHandler());
    }
}

NettyHttpServerHandler(用于处理Http请求)

/**
 * 说明:
 *      SimpleChannelInboundHandler 是 ChannelInboundHandlerAdapter 的子类
 *      HttpObject :客户端和服务器端通信的数据被封装成 HttpObject
 */
public class NettyHttpServerHandler extends SimpleChannelInboundHandler<HttpObject> {

    //读取客户端发来的数据
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, HttpObject msg) throws Exception {

        //判断是否是HttpRequest
        if (msg instanceof HttpRequest) {

            //对图标资源获取进行过滤
            HttpRequest request = (HttpRequest) msg;
            URI uri = new URI(request.uri());

            if ("/favicon.ico".equals(uri.getPath())) {
                System.out.println("请求了 favicon.ico ,不做响应");
                return;
            }

            System.out.println("pipeline = " + ctx.pipeline().hashCode() + " handlder = " + this.hashCode());
            System.out.println("msg 类型:" + msg.getClass());
            System.out.println("客户端地址:" + ctx.channel().remoteAddress());


            //回复信息给浏览器(Http协议)
            ByteBuf content = Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端", CharsetUtil.UTF_8);

            //构造http响应,即httpResponse
            DefaultFullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(
                    HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK, content);
            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_TYPE, "text/plain;charset=utf-8");
            response.headers().set(HttpHeaderNames.CONTENT_LENGTH, content.readableBytes());


            //返回httpResponse
            ctx.writeAndFlush(response);
        }

    }
}

运行服务器之后,在浏览器内输入地址,可以看到下面的结果:

Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第12张图片

服务器端控制台输出:

服务端 is ready
pipeline = 1328644476 handlder = 5644135
msg 类型:class io.netty.handler.codec.http.DefaultHttpRequest
客户端地址:/0:0:0:0:0:0:0:1:8247
请求了 favicon.ico ,不做响应

其中最后第5行的输出是浏览器获取图标的请求,被拦截。对应NettyHttpServerHandler类中第12~22行代码所对应的功能
在这里插入图片描述
另外http是连接不是长连接,每次发送请求都会重新建立连接,而且在Netty中每次处理都会生成pipeline和handlder,下面再次刷新可以看出:

服务端 is ready
pipeline = 1328644476 handlder = 5644135
msg 类型:class io.netty.handler.codec.http.DefaultHttpRequest
客户端地址:/0:0:0:0:0:0:0:1:8247
请求了 favicon.ico ,不做响应
pipeline = 99933460 handlder = 1089885134
msg 类型:class io.netty.handler.codec.http.DefaultHttpRequest
客户端地址:/0:0:0:0:0:0:0:1:8255
请求了 favicon.ico ,不做响应

4、模型方案再说明

Netty 抽象出两组线程池,BossGroup 专门负责接收客户端连接,WorkerGroup 专门负责网络读写操作。

NioEventLoop 表示一个不断循环执行处理任务的线程,每个 NioEventLoop 都有一个 selector,用于监听绑定 在其上的 socket 网络通道。

NioEventLoop 内部采用串行化设计(taskQueue),从消息的读取->解码->处理->编码->发送,始终由 IO 线程 NioEventLoop负责

其中:

  • NioEventLoopGroup 下包含多个 NioEventLoop
  • 每个 NioEventLoop 中包含有一个 Selector,一个 taskQueue
  • 每个 NioEventLoop 的 Selector 上可以注册监听多个 NioChannel
  • 每个 NioChannel 只会绑定在唯一的 NioEventLoop 上
  • 每个 NioChannel 都绑定有一个自己的 ChannelPipeline

四、异步模型

1、基本介绍

  • 异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的组件在
    完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。

  • Netty 中的 I/O 操作是异步的,包括 Bind、Write、Connect 等操作会简单的返回一个 ChannelFuture。

  • 调用者并不能立刻获得结果,而是通过 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

  • Netty 的异步模型是建立在 future 和 callback 的之上的。callback 就是回调。重点说 Future,它的核心思想 是:假设一个方法 fun,计算过程可能非常耗时,等待 fun 返回显然不合适。那么可以在调用 fun 的时候,立 马返回一个 Future,后续可以通过 Future 去监控方法 fun 的处理过程(即 : Future-Listener 机制)

2、Future -Listener 机制

  • Future 表示异步的执行结果, 可以通过它提供的方法来检测执行是否完成,比如检索计算等等.
  • ChannelFuture 是一个接口 : public interface ChannelFuture extends Future我们可以添加监听器,当监听的事件发生时,就会通知到监听器
  • 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,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,如当操作已完成(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,则通知指定的监听器

3、应用示例

举例说明: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

//绑定端口并同步,生成一个 ChannelFuture对象
//启动服务器
ChannelFuture cf = serverBootstrap.bind(6666).sync();

//为ChannelFuture注册监听器,监听关心的事件
cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
    @Override
    public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
        if (future.isSuccess()){
            System.out.println("服务器绑定 6666 端口成功");
        } else {
            System.out.println("服务器绑定 6666 端口失败");
        }
    }
});

五、Netty 核心模块组件

1、 Bootstrap、ServerBootstrap

Bootstrap 意思是引导,一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始,主要作用是配置整个 Netty 程序,串联 各个组件,Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类,ServerBootstrap 是服务端启动引导类

常见的方法有 :

//该方法用于服务器端,用来设置两个 EventLoop
public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup);

//该方法用于客户端,用来设置一个 EventLoop
public B group(EventLoopGroup group);

//该方法用来设置一个服务器端的通道实现
public B channel(Class<? extends C> channelClass);

//用来给 ServerChannel 添加配置
public <T> B option(ChannelOption<T> option, T value);

//用来给接收到的通道添加配置
public <T> ServerBootstrap childOption(ChannelOption<T> childOption, T value);

//该方法用来设置业务处理类(自定义的 handler)
public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler);

//该方法用于服务器端,用来设置占用的端口号
public ChannelFuture bind(int inetPort);

//该方法用于客户端,用来连接服务器端
public ChannelFuture connect(String inetHost, int inetPort)

2、Future、ChannelFuture

Netty 中所有的 IO 操作都是异步的,不能立刻得知消息是否被正确处理。但是可以过一会等它执行完成或 者直接注册一个监听

具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures,他们可以注册一个监听,当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件

常见的方法有 :

Channel channel();//返回当前正在进行 IO 操作的通道

ChannelFuture sync();//等待异步操作执行完毕

3、Channel

  • Channel 是Netty 网络通信的组件,能够用于执行网络 I/O 操作。

  • 通过 Channel 可获得当前网络连接的通道的状态

  • 通过 Channel 可获得 网络连接的配置参数 (例如接收缓冲区大小)

  • Channel 提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接,读写,绑定端口),异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返 回,并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成

  • 调用立即返回一个 ChannelFuture 实例,通过注册监听器到 ChannelFuture 上,可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方

  • 支持关联 I/O 操作与对应的处理程序

  • 不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应,常用的 Channel 类型:

    • NioSocketChannel,异步的客户端 TCPSocket 连接。
    • NioServerSocketChannel,异步的服务器端 TCPSocket 连接。
    • NioDatagramChannel,异步的 UDP 连接。
    • NioSctpChannel,异步的客户端 Sctp 连接。
    • NioSctpServerChannel,异步的 Sctp 服务器端连接,这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO

4、Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用,通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后,Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件(例如可读,可写,网络连接完成等),这样程序就可以很简单地使用一个 线程高效地管理多个 Channel

5、ChannelHandler 及其实现类

ChannelHandler 是一个接口,处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作,并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)
中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法,因为这个接口有许多的方法需要实现,方便使用期间,可以继承它
的子类

ChannelHandler 及其实现类一览图
Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第13张图片

  • ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
  • ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。
  • ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
  • ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。
  • ChannelDuplexHandler 用于处理入站和出站事件。

经常需要自定义一个 Handler 类去继承 ChannelInboundHandlerAdapter,然后通过重写相应方法实现业务
逻辑,我们接下来看看一般都需要重写哪些方法

public class ChannelInboundHandlerAdapter extends ChannelHandlerAdapter implements ChannelInboundHandler {

    public ChannelInboundHandlerAdapter() {
    }

    public void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelRegistered();
    }

    public void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelUnregistered();
    }

    //通道就绪事件
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelActive();
    }

    public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelInactive();
    }

    //通道读取数据事件
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ctx.fireChannelRead(msg);
    }
	//通道读取数据完毕事件
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelReadComplete();
    }

    public void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception {
        ctx.fireUserEventTriggered(evt);
    }

    public void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ctx.fireChannelWritabilityChanged();
    }
	//通道发生异常事件
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.fireExceptionCaught(cause);
    }
}

6、Pipeline 和 ChannelPipeline

ChannelPipeline 是一个 Handler 的集合,它负责处理和拦截 inbound 或者 outbound 的事件和操作,相当于 一个贯穿 Netty 的链。(也可以这样理解:ChannelPipeline 是 保存 ChannelHandler 的 List,用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作)

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式,使用户可以完全控制事件的处理方式,以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应,它们的组成关系如下
Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第14张图片

  • 一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline,而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext (就是ctx)组成的双向链表,并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler
  • 入站事件和出站事件在一个双向链表中,入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的 handler,出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler,两种类型的 handler 互不干扰

常用方法:

  • ChannelPipeline addFirst(ChannelHandler... handlers):把一个业务处理类(handler)添加到链中的第一个位置
  • ChannelPipeline addLast(ChannelHandler... handlers):把一个业务处理类(handler)添加到链中的最后一个位置

7、ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息,同时关联一个 ChannelHandler 对象

ChannelHandlerContext 中 包 含 一 个 具 体 的 事 件 处 理 器 ChannelHandler , 同 时ChannelHandlerContext 中也绑定了对应的 pipeline 和 Channel 的信息,方便对 ChannelHandler进行调用.

常用方法:

  • ChannelFuture close():关闭通道
  • ChannelOutboundInvoker flush():刷新
  • ChannelFuture writeAndFlush(Object msg): 将 数据写到 ChannelPipeline 中当前ChannelHandler 的下一个 ChannelHandler 开始处理(出站)

8、ChannelOption

Netty 在创建 Channel 实例后,一般都需要设置 ChannelOption 参数。

ChannelOption 参数如下:

  • ChannelOption.SO_BACKLOG:对应 TCP/IP 协议 listen 函数中的 backlog 参数,用来初始化服务器可连接队列大小。服务端处理客户端连接请求是顺序处理的,所以同一时间只能处理一个客户端连接。多个客户端来的时候,服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理,backlog 参数指定了队列的大小。
  • ChannelOption.SO_KEEPALIVE:设置一直保持连接活动状态

9、EventLoopGroup 和其实现类 NioEventLoopGroup

EventLoopGroup 是一组 EventLoop 的抽象,Netty 为了更好的利用多核 CPU 资源,一般会有多个 EventLoop 同时工作,每个 EventLoop 维护着一个 Selector 实例。

EventLoopGroup 提供 next 接口,可以从组里面按照一定规则获取其中一个 EventLoop来处理任务。

在 Netty 服务器端编程中,我们一般都需要提供两个 EventLoopGroup,例如:BossEventLoopGroup 和 WorkerEventLoopGroup。

通常一个服务端口即一个 ServerSocketChannel对应一个Selector 和一个EventLoop线程。BossEventLoop 负责接收客户端的连接并将 SocketChannel 交给 WorkerEventLoopGroup 来进行 IO 处理,如下图所示

Netty学习笔记(三):Netty简介、线程模型、Netty应用实例、Netty核心组件介绍_第15张图片

  • BossEventLoopGroup 通常是一个单线程的 EventLoop,EventLoop 维护着一个注册了ServerSocketChannel 的 Selector 实例。BossEventLoop 不断轮询, Selector 将连接事件分离出来
  • 连接完成后,将接收到的 SocketChannel 交给 WorkerEventLoopGroup
  • WorkerEventLoopGroup 会由 next 选择其中一个 EventLoop来将这个 SocketChannel 注册到其维护的 Selector 并对其后续的 IO 事件进行处理

常用方法:

  • public NioEventLoopGroup():构造方法
  • public Future shutdownGracefully():断开连接,关闭线程

10、Unpooled 类

Unpooled 类是Netty 提供一个专门用来操作缓冲区(即Netty的数据容器,如ByteBuf)的工具类

常用方法:

////通过给定的数据和字符编码返回一个 ByteBuf 对象(类似于 NIO 中的 ByteBuffer 但有区别)
public static ByteBuf copiedBuffer(CharSequence string, Charset charset);
//使用
ByteBuf content = Unpooled.copiedBuffer("hello,客户端", CharsetUtil.UTF_8);

使用示例:

public class NettyByteBuf01 {
    public static void main(String[] args) {


        //创建一个ByteBuf
        //说明
        //1. 创建 对象,该对象包含一个数组arr , 是一个byte[10]
        //2. 在netty 的buffer中,不需要使用flip 进行反转
        //   底层维护了 readerindex 和 writerIndex
        //3. 通过 readerindex 和  writerIndex 和  capacity, 将buffer分成三个区域
        // 0---readerindex 已经读取的区域
        // readerindex---writerIndex , 可读的区域
        // writerIndex -- capacity, 可写的区域
        ByteBuf buffer = Unpooled.buffer(10);

        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            buffer.writeByte(i);
        }

        System.out.println("capacity=" + buffer.capacity());//10
        //输出
//        for(int i = 0; i
//            System.out.println(buffer.getByte(i));
//        }
        for(int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            System.out.println(buffer.readByte());
        }
        System.out.println("执行完毕");
    }
}
public class NettyByteBuf02 {
    public static void main(String[] args) {

        //创建ByteBuf
        ByteBuf byteBuf = Unpooled.copiedBuffer("hello,world!", Charset.forName("utf-8"));

        //使用相关的方法
        if(byteBuf.hasArray()) { // true

            byte[] content = byteBuf.array();

            //将 content 转成字符串
            System.out.println(new String(content, Charset.forName("utf-8")));

            System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);

            System.out.println(byteBuf.arrayOffset()); // 0
            System.out.println(byteBuf.readerIndex()); // 0
            System.out.println(byteBuf.writerIndex()); // 12
            System.out.println(byteBuf.capacity()); // 36

            //System.out.println(byteBuf.readByte()); //
            System.out.println(byteBuf.getByte(0)); // 104

            int len = byteBuf.readableBytes(); //可读的字节数  12
            System.out.println("len=" + len);

            //使用for取出各个字节
            for(int i = 0; i < len; i++) {
                System.out.println((char) byteBuf.getByte(i));
            }

            //按照某个范围读取
            System.out.println(byteBuf.getCharSequence(0, 4, Charset.forName("utf-8")));
            System.out.println(byteBuf.getCharSequence(4, 6, Charset.forName("utf-8")));


        }
    }
}

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