Netty
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引言：
什么是Netty？
Netty和Tomcat有什么区别？
为什么Netty受欢迎？
Netty为什么并发高
Netty为什么传输快
为什么说Netty封装好？
使用示例：
步骤1: 添加Netty依赖
步骤2: 创建服务器启动类
步骤3: 创建服务器初始化类
步骤4: 创建服务器处理器类
结论：
引言：
什么是Netty？
Netty 是一个利用 Java 的高级网络的能力，隐藏其背后的复杂性而提供一个易于使用的 API 的客户端/服务器框架。
Netty 是一个广泛使用的 Java 网络编程框架（Netty 在 2011 年获得了Duke's Choice Award，见https://www.java.net/dukeschoice/2011）。它活跃和成长于用户社区，像大型公司 Facebook 和 Instagram 以及流行 开源项目如 Infinispan, HornetQ, Vert.x, Apache Cassandra 和 Elasticsearch 等，都利用其强大的对于网络抽象的核心代码。
Netty和Tomcat有什么区别？
Netty和Tomcat最大的区别就在于通信协议，Tomcat是基于Http协议的，他的实质是一个基于http协议的web容器，但是Netty不一样，他能通过编程自定义各种协议，因为netty能够通过codec自己来编码/解码字节流，完成类似redis访问的功能，这就是netty和tomcat最大的不同。
有人说netty的性能就一定比tomcat性能高，其实不然，tomcat从6.x开始就支持了nio模式，并且后续还有APR模式——一种通过jni调用apache网络库的模式，相比于旧的bio模式，并发性能得到了很大提高，特别是APR模式，而netty是否比tomcat性能更高，则要取决于netty程序作者的技术实力了。
为什么Netty受欢迎？
如第一部分所述，netty是一款收到大公司青睐的框架，在我看来，netty能够受到青睐的原因有三：
- 并发高
- 传输快
- 封装好
Netty为什么并发高
Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于BIO（Blocking I/O，阻塞IO），他的并发性能得到了很大提高，两张图让你了解BIO和NIO的区别：
阻塞IO的通信方式：
非阻塞IO的通信方式
从这两图可以看出，NIO的单线程能处理连接的数量比BIO要高出很多，而为什么单线程能处理更多的连接呢？原因就是图二中出现的Selector。
当一个连接建立之后，他有两个步骤要做，第一步是接收完客户端发过来的全部数据，第二步是服务端处理完请求业务之后返回response给客户端。NIO和BIO的区别主要是在第一步。
在BIO中，等待客户端发数据这个过程是阻塞的，这样就造成了一个线程只能处理一个请求的情况，而机器能支持的最大线程数是有限的，这就是为什么BIO不能支持高并发的原因。
而NIO中，当一个Socket建立好之后，Thread并不会阻塞去接受这个Socket，而是将这个请求交给Selector，Selector会不断的去遍历所有的Socket，一旦有一个Socket建立完成，他会通知Thread，然后Thread处理完数据再返回给客户端——这个过程是不阻塞的，这样就能让一个Thread处理更多的请求了。
下面两张图是基于BIO的处理流程和netty的处理流程，辅助你理解两种方式的差别：
BIO的处理流程
NIO的处理流程
除了BIO和NIO之外，还有一些其他的IO模型，下面这张图就表示了五种IO模型的处理流程：
五种常见的IO模型
- BIO，同步阻塞IO，阻塞整个步骤，如果连接少，他的延迟是最低的，因为一个线程只处理一个连接，适用于少连接且延迟低的场景，比如说数据库连接。
- NIO，同步非阻塞IO，阻塞业务处理但不阻塞数据接收，适用于高并发且处理简单的场景，比如聊天软件。
- 多路复用IO，他的两个步骤处理是分开的，也就是说，一个连接可能他的数据接收是线程a完成的，数据处理是线程b完成的，他比BIO能处理更多请求。
- 信号驱动IO，这种IO模型主要用在嵌入式开发，不参与讨论。
- 异步IO，他的数据请求和数据处理都是异步的，数据请求一次返回一次，适用于长连接的业务场景。
以上摘自Linux IO模式及 select、poll、epoll详解
Netty为什么传输快
Netty的传输快其实也是依赖了NIO的一个特性——零拷贝。我们知道，Java的内存有堆内存、栈内存和字符串常量池等等，其中堆内存是占用内存空间最大的一块，也是Java对象存放的地方，一般我们的数据如果需要从IO读取到堆内存，中间需要经过Socket缓冲区，也就是说一个数据会被拷贝两次才能到达他的的终点，如果数据量大，就会造成不必要的资源浪费。
Netty针对这种情况，使用了NIO中的另一大特性——零拷贝，当他需要接收数据的时候，他会在堆内存之外开辟一块内存，数据就直接从IO读到了那块内存中去，在netty里面通过ByteBuf可以直接对这些数据进行直接操作，从而加快了传输速度。
下两图就介绍了两种拷贝方式的区别，摘自Linux 中的零拷贝技术，第 1 部分
传统数据拷贝：
零拷贝：
上文介绍的ByteBuf是Netty的一个重要概念，他是netty数据处理的容器，也是Netty封装好的一个重要体现，将在下一部分做详细介绍。
为什么说Netty封装好？
要说Netty为什么封装好，这种用文字是说不清的，直接上代码：
- 阻塞I/O
public class PlainOioServer {
public void serve(int port) throws IOException {
final ServerSocket socket = new ServerSocket(port); //1
try {
for (;;) {
final Socket clientSocket = socket.accept(); //2
System.out.println("Accepted connection from " + clientSocket);
new Thread(new Runnable() { //3
@Override
public void run() {
OutputStream out;
try {
out = clientSocket.getOutputStream();
out.write("Hi!\r\n".getBytes(Charset.forName("UTF-8"))); //4
out.flush();
clientSocket.close(); //5
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
try {
clientSocket.close();
} catch (IOException ex) {
// ignore on close
}
}
}
}).start(); //6
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
- 非阻塞IO
public class PlainNioServer {
public void serve(int port) throws IOException {
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
ServerSocket ss = serverChannel.socket();
InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
ss.bind(address); //1
Selector selector = Selector.open(); //2
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //3
final ByteBuffer msg = ByteBuffer.wrap("Hi!\r\n".getBytes());
for (;;) {
try {
selector.select(); //4
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
// handle exception
break;
}
Set readyKeys = selector.selectedKeys(); //5
Iterator iterator = readyKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
try {
if (key.isAcceptable()) { //6
ServerSocketChannel server =
(ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel client = server.accept();
client.configureBlocking(false);
client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE |
SelectionKey.OP_READ, msg.duplicate()); //7
System.out.println(
"Accepted connection from " + client);
}
if (key.isWritable()) { //8
SocketChannel client =
(SocketChannel)key.channel();
ByteBuffer buffer =
(ByteBuffer)key.attachment();
while (buffer.hasRemaining()) {
if (client.write(buffer) == 0) { //9
break;
}
}
client.close(); //10
}
} catch (IOException ex) {
key.cancel();
try {
key.channel().close();
} catch (IOException cex) {
// 在关闭时忽略
}
}
}
}
}
}
- Netty
public class NettyOioServer {
public void server(int port) throws Exception {
final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
EventLoopGroup group = new OioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap(); //1
b.group(group) //2
.channel(OioServerSocketChannel.class)
.localAddress(new InetSocketAddress(port))
.childHandler(new ChannelInitializer() {//3
@Override
public void initChannel(SocketChannel ch)
throws Exception {
ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() { //4
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
ctx.writeAndFlush(buf.duplicate()).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);//5
}
});
}
});
ChannelFuture f = b.bind().sync(); //6
f.channel().closeFuture().sync();
} finally {
group.shutdownGracefully().sync(); //7
}
}
}
从代码量上来看，Netty就已经秒杀传统Socket编程了，但是这一部分博大精深，仅仅贴几个代码岂能说明问题，在这里给大家介绍一下Netty的一些重要概念，让大家更理解Netty。
-
Channel
数据传输流，与channel相关的概念有以下四个，上一张图让你了解netty里面的Channel。Channel一览：
- Channel，表示一个连接，可以理解为每一个请求，就是一个Channel。
- ChannelHandler，核心处理业务就在这里，用于处理业务请求。
- ChannelHandlerContext，用于传输业务数据。
- ChannelPipeline，用于保存处理过程需要用到的ChannelHandler和ChannelHandlerContext。
- ByteBuf
ByteBuf是一个存储字节的容器，最大特点就是使用方便，它既有自己的读索引和写索引，方便你对整段字节缓存进行读写，也支持get/set，方便你对其中每一个字节进行读写，他的数据结构如下图所示：
ByteBuf数据结构
他有三种使用模式：
- Heap Buffer 堆缓冲区
堆缓冲区是ByteBuf最常用的模式，他将数据存储在堆空间。 - Direct Buffer 直接缓冲区
直接缓冲区是ByteBuf的另外一种常用模式，他的内存分配都不发生在堆，jdk1.4引入的nio的ByteBuffer类允许jvm通过本地方法调用分配内存，这样做有两个好处- 通过免去中间交换的内存拷贝, 提升IO处理速度; 直接缓冲区的内容可以驻留在垃圾回收扫描的堆区以外。
- DirectBuffer 在 -XX:MaxDirectMemorySize=xxM大小限制下, 使用 Heap 之外的内存, GC对此”无能为力”,也就意味着规避了在高负载下频繁的GC过程对应用线程的中断影响.
- Composite Buffer 复合缓冲区
复合缓冲区相当于多个不同ByteBuf的视图，这是netty提供的，jdk不提供这样的功能。
除此之外，他还提供一大堆api方便你使用，在这里我就不一一列出了，具体参见ByteBuf字节缓存
- Codec
Netty中的编码/解码器，通过他你能完成字节与pojo、pojo与pojo的相互转换，从而达到自定义协议的目的。
在Netty里面最有名的就是HttpRequestDecoder和HttpResponseEncoder了。
使用示例：
提供一个实际的使用示例，演示如何使用Netty实现一个简单的服务器。从创建服务器启动类开始，解释各个步骤的作用并给出具体的代码示例。说明如何配置ChannelInitializer和添加自定义的业务处理器。
下面是使用Netty实现基本服务器的代码步骤示例：
步骤1: 添加Netty依赖
在项目的构建文件（如Maven或Gradle）中，添加Netty的依赖。
io.netty
netty-all
4.1.66.Final
步骤2: 创建服务器启动类
创建一个Java类作为服务器的启动类。
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
public class Server {
private final int port;
public Server(int port) {
this.port = port;
}
public void start() throws InterruptedException {
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
try {
ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
bootstrap.group(bossGroup, workerGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class)
.childHandler(new ServerInitializer());
ChannelFuture future = bootstrap.bind(port).sync();
future.channel().closeFuture().sync();
} finally {
bossGroup.shutdownGracefully();
workerGroup.shutdownGracefully();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int port = 8080; // 设置服务器监听的端口
new Server(port).start();
}
}
步骤3: 创建服务器初始化类
创建一个ChannelInitializer的子类，用于配置服务器的ChannelPipeline。
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelPipeline;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;
public class ServerInitializer extends ChannelInitializer {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
// 添加字符串编码和解码器
pipeline.addLast(new StringEncoder());
pipeline.addLast(new StringDecoder());
// 添加自定义的业务处理器
pipeline.addLast(new ServerHandler());
}
}
步骤4: 创建服务器处理器类
创建一个ChannelInboundHandlerAdapter的子类来处理接收到的请求。
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
public class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
// 处理接收到的请求
String request = (String) msg;
System.out.println("Received request: " + request);
// 发送响应
String response = "Hello, Client!";
ctx.writeAndFlush(response);
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
// 处理异常
cause.printStackTrace();
ctx.close();
}
}
以上代码示例演示了如何使用Netty实现一个简单的基于字符串通信的服务器。你可以根据需要自定义和扩展这些代码，以适应你的具体业务需求。
-
Netty的应用场景：列举和解释Netty在实际项目中的常见应用场景。例如，网络通信、实时数据传输、分布式系统和物联网等。描述每个场景的特点和要求，并说明Netty如何满足这些需求。
-
性能优化：详细介绍如何对使用Netty构建的应用程序进行性能优化。提供一些实用的技巧和建议，例如使用连接池、优化线程模型、调整缓冲区大小、合理处理异常和错误等。
-
实践经验分享：分享一些在实际项目中使用Netty的经验教训和最佳实践。从错误处理、线程安全性到跨平台兼容性，分享一些学习到的经验和解决方案，避免一些常见的陷阱和问题。
结论：
总结Netty的优点和适用情况。强调Netty作为一个强大而灵活的网络应用程序框架，在构建高性能和可靠的网络应用程序时的重要性。鼓励读者深入学习和尝试使用Netty来提升自己的开发能力。