Netty进阶:粘包与半包-解决方案

短链接

客户端每次向服务器发送数据后,就与服务器断开连接,此时的消息边界为连接建立到连接断开。这时便无需使用滑动窗口等技术来缓冲数据,则不会发生粘包现象。但如果一次性发送数据过多,接收方无法一次性容纳所有数据,还会发生半包现象,所以短链接无法解决半包现象。

客户端代码改进

public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
    log.debug("sending...");
    ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer(16);
    buffer.writeBytes(new byte[]{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15});
    ctx.writeAndFlush(buffer);
    // 使用短链接,每次发送完毕后就断开连接
    ctx.channel().close();
}

封装发送方法,调用10次发送,模拟发送数据

public static void main(String[] args) {
    // 发送10次
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        send();
    }
}

定长解码器

客户端与服务器约定一个最大长度,保证客户端每次发送数据都不会大于该最大长度,若发送数据长度不足,则需要补齐至该长度。

服务器接收数据时,将接收到的数据按约定的最大长度进行拆分,即使发送过程中产生了粘包,也可以通过定长解码器将数据正确的拆分。服务器需要用到FixedLengthFrameDecoder 对数据进行定长解码。

ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(16));

客户端代码

// 约定最大长度为16
final int maxLength = 16;
// 被发送的数据
char c = 'a';
// 向服务器发送10个报文
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer(maxLength);
    // 定长byte数组,未使用部分会以0进行填充
    byte[] bytes = new byte[maxLength];
    // 生成长度为0~15的数据
    for (int j = 0; j < (int)(Math.random()*(maxLength-1)); j++) {
        bytes[j] = (byte) c;
    }
    buffer.writeBytes(bytes);
    c++;
    // 将数据发送给服务器
    ctx.writeAndFlush(buffer);
}

服务器端代码

使用FixedLengthFrameDecoder对粘包数据进行拆分,该handler需要添加在LoggingHandler之前,保证数据在打印时已经拆分

// 通过定长解码器对粘包数据进行拆分
ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(16));
ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));

行解码器

行解码器是通过分隔符对数据进行拆分

可以通过LineBasedFrameDecoder(int maxLength)来拆分以换行符(\n)为分隔符的数据,也可以通过DelimiterBasedFrameDecoder(int maxFrameLength, ByteBuf... delimiters)来指定通过什么分隔符来拆分数据(可以传入多个分隔符)

两种解码器都需要传入数据的最大长度,若超出最大长度,会抛出TooLongFrameException异常

  • 以换行符 \n 为分隔符

客户端代码

// 约定最大长度为 64
final int maxLength = 64;
// 被发送的数据
char c = 'a';
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    ByteBuf buffer = ctx.alloc().buffer(maxLength);
    // 生成长度为0~62的数据
    Random random = new Random();
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int j = 0; j < (int)(random.nextInt(maxLength-2)); j++) {
        sb.append(c);
    }
    // 数据以 \n 结尾
    sb.append("\n");
    buffer.writeBytes(sb.toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
    c++;
    // 将数据发送给服务器
    ctx.writeAndFlush(buffer);
}

服务器端代码

// 通过行解码器对粘包数据进行拆分,以 \n 为分隔符
// 需要指定最大长度
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(64));
ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
  • 自定义分隔符

客户端代码

...
    
// 数据以 \c 结尾
sb.append("\\c");
buffer.writeBytes(sb.toString().getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

...

服务器端代码

// 将分隔符放入ByteBuf中
ByteBuf bufSet = ch.alloc().buffer().writeBytes("\\c".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 通过行解码器对粘包数据进行拆分,以 \c 为分隔符
ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(64, ch.alloc().buffer().writeBytes(bufSet)));
ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));

长度字段解码器

在传送数据时可以在数据中添加一个用于表示有用数据长度的字段,在解码时读取出这个用于表明长度的字段,同时读取其他相关参数,即可知道最终需要的数据是什么样子的

LengthFieldBasedFrameDecoder解码器可以提供更为丰富的拆分方法,其构造方法有五个参数:

public LengthFieldBasedFrameDecoder(
    int maxFrameLength,
    int lengthFieldOffset, int lengthFieldLength,
    int lengthAdjustment, int initialBytesToStrip)

参数解析

  • maxFrameLength 数据最大长度
    • 表示数据的最大长度(包括附加信息、长度标识等内容)
  • lengthFieldOffset 数据长度标识的起始偏移量
    • 用于指明数据第几个字节开始是用于标识有用字节长度的,因为前面可能还有其他附加信息
  • lengthFieldLength 数据长度标识所占字节数(用于指明有用数据的长度)
    • 数据中用于表示有用数据长度的标识所占的字节数
  • lengthAdjustment 长度表示与有用数据的偏移量
    • 用于指明数据长度标识和有用数据之间的距离,因为两者之间还可能有附加信息
  • initialBytesToStrip 数据读取起点
    • 读取起点,不读取 0 ~ initialBytesToStrip 之间的数据

参数图解

Netty进阶:粘包与半包-解决方案_第1张图片

lengthFieldOffset   = 0
lengthFieldLength   = 2
lengthAdjustment    = 0
initialBytesToStrip = 0 (= do not strip header)
  
BEFORE DECODE (14 bytes)         AFTER DECODE (14 bytes)
+--------+----------------+      +--------+----------------+
| Length | Actual Content |----->| Length | Actual Content |
| 0x000C | "HELLO, WORLD" |      | 0x000C | "HELLO, WORLD" |
+--------+----------------+      +--------+----------------+

从0开始即为长度标识,长度标识长度为2个字节

0x000C 即为后面 HELLO, WORLD的长度

lengthFieldOffset   = 0
lengthFieldLength   = 2
lengthAdjustment    = 0
initialBytesToStrip = 2 (= the length of the Length field)
  
BEFORE DECODE (14 bytes)         AFTER DECODE (12 bytes)
+--------+----------------+      +----------------+
| Length | Actual Content |----->| Actual Content |
| 0x000C | "HELLO, WORLD" |      | "HELLO, WORLD" |
+--------+----------------+      +----------------+

从0开始即为长度标识,长度标识长度为2个字节,读取时从第二个字节开始读取(此处即跳过长度标识)

因为跳过了用于表示长度的2个字节,所以此处直接读取HELLO, WORLD

lengthFieldOffset   = 2 (= the length of Header 1)
lengthFieldLength   = 3
lengthAdjustment    = 0
initialBytesToStrip = 0
  
BEFORE DECODE (17 bytes)                      AFTER DECODE (17 bytes)
+----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
| Header 1 |  Length  | Actual Content |----->| Header 1 |  Length  | Actual Content |
|  0xCAFE  | 0x00000C | "HELLO, WORLD" |      |  0xCAFE  | 0x00000C | "HELLO, WORLD" |
+----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+

长度标识前面还有2个字节的其他内容(0xCAFE),第三个字节开始才是长度标识,长度表示长度为3个字节(0x00000C)

Header1中有附加信息,读取长度标识时需要跳过这些附加信息来获取长度

lengthFieldOffset   = 0
lengthFieldLength   = 3
lengthAdjustment    = 2 (= the length of Header 1)
initialBytesToStrip = 0
  
BEFORE DECODE (17 bytes)                      AFTER DECODE (17 bytes)
+----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
|  Length  | Header 1 | Actual Content |----->|  Length  | Header 1 | Actual Content |
| 0x00000C |  0xCAFE  | "HELLO, WORLD" |      | 0x00000C |  0xCAFE  | "HELLO, WORLD" |
+----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+

从0开始即为长度标识,长度标识长度为3个字节,长度标识之后还有2个字节的其他内容(0xCAFE)

长度标识(0x00000C)表示的是从其后lengthAdjustment(2个字节)开始的数据的长度,即HELLO, WORLD,不包括0xCAFE

lengthFieldOffset   = 1 (= the length of HDR1)
lengthFieldLength   = 2
lengthAdjustment    = 1 (= the length of HDR2)
initialBytesToStrip = 3 (= the length of HDR1 + LEN)
  
BEFORE DECODE (16 bytes)                       AFTER DECODE (13 bytes)
+------+--------+------+----------------+      +------+----------------+
| HDR1 | Length | HDR2 | Actual Content |----->| HDR2 | Actual Content |
| 0xCA | 0x000C | 0xFE | "HELLO, WORLD" |      | 0xFE | "HELLO, WORLD" |
+------+--------+------+----------------+      +------+----------------+

长度标识前面有1个字节的其他内容,后面也有1个字节的其他内容,读取时从长度标识之后3个字节处开始读取,即读取 0xFE HELLO, WORLD


通过 EmbeddedChannel 对 handler 进行测试

public class EncoderStudy {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟服务器
        // 使用EmbeddedChannel测试handler
        EmbeddedChannel channel = new EmbeddedChannel(
                // 数据最大长度为1KB,长度标识前后各有1个字节的附加信息,长度标识长度为4个字节(int)
                new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 1, 4, 1, 0),
                new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG)
        );

        // 模拟客户端,写入数据
        ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer();
        send(buffer, "Hello");
        channel.writeInbound(buffer);
        send(buffer, "World");
        channel.writeInbound(buffer);
    }

    private static void send(ByteBuf buf, String msg) {
        // 得到数据的长度
        int length = msg.length();
        byte[] bytes = msg.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        // 将数据信息写入buf
        // 写入长度标识前的其他信息
        buf.writeByte(0xCA);
        // 写入数据长度标识
        buf.writeInt(length);
        // 写入长度标识后的其他信息
        buf.writeByte(0xFE);
        // 写入具体的数据
        buf.writeBytes(bytes);
    }
}

以上就是粘包和半包的解决方案,内容有些长,耐心看下去,持续关注,后续更精彩。

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