聊聊分布式架构06——[NIO入门]简单的Netty NIO示例

目录

Java NIO和Netty NIO比较

Java NIO：

Netty：

Netty NIO中的主要模块

Transport（传输层）

Buffer（缓冲区）

Codec（编解码器）

Handler（处理器）

EventLoop（事件循环）

Bootstrap和Channel（引导和通道）

Future和Promise（异步编程）

Netty示例

服务端时序图

服务端代码

客户端时序图

客户端代码

总结

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Java NIO和Netty NIO比较

Java NIO：

1. 原生Java库： Java NIO是Java标准库的一部分，提供了非阻塞I/O的核心功能。它是Java平台上的底层API，允许开发者直接操作通道、缓冲区和选择器等组件。

2. 较低级别： Java NIO是相对较低级别的API，需要开发者编写更多的底层代码来处理网络通信和协议。这可以提供更多的控制权，但也增加了开发复杂性。

3. 多路复用： Java NIO通过选择器（Selector）实现多路复用，允许一个线程管理多个通道。这对于处理大量并发连接非常有用。

4. 手动管理缓冲区： Java NIO需要开发者手动管理缓冲区，包括分配、读取、写入和释放缓冲区。这可能导致更复杂的代码结构。

5. 适用场景： Java NIO适用于需要高度自定义的网络协议网络服务器。它在性能和灵活性方面提供了更多的控制权。

Netty：

1. 高级别框架： Netty是一个基于Java NIO的高级别框架，它封装了底层的NIO细节，提供了更简单和强大的API来处理网络通信。

2. 事件驱动： Netty是事件驱动的框架，使用事件处理器（Event Handlers）来处理入站和出站事件。这使得编写网络应用程序更加模块化和可维护。

3. 自动管理缓冲区： Netty自动管理缓冲区，无需开发者手动分配和释放缓冲区。这减轻了内存管理的负担。

4. 丰富的功能： Netty提供了丰富的功能，包括HTTP、WebSocket、TLS/SSL支持、UDP通信、拆包和粘包处理等。它还支持异步和同步I/O操作。

5. 社区和生态系统： Netty拥有强大的社区支持和丰富的生态系统，有大量的扩展和插件可用。这使得开发人员可以更快地构建复杂的网络应用。

6. 适用场景： Netty适用于构建高性能、可扩展、可维护的网络应用程序，特别是在处理协议复杂、并发连接众多的情况下。

为什么选择Netty?

	Java NIO	Netty NIO
API和类库	繁杂麻烦，需掌握Selector、Channel、Buffer等	封装简单，门槛低
扩展实现	需要熟悉多线程和网络编程保证代码质量	通过ChannelHandler对框架灵活扩展
可靠性	可靠性能力需手动补齐，工作量和难度大	预编码、多协议，功能强，性能高
Bug Fixed	臭名昭著的epoll bug（selector空轮询，CPU到100%）1.6版本说修复，1.7版本还在，只是调低了触发率	稳定，成熟，修复了所有已发现的Java NIO Bug
社区生态	/	社区活跃，迭代周期短
生存迭代	/	经历大规模商业应用考验，质量得到验证

基础篇我们使用Java NIO举例演示了简单的RPC通信。代码的行数和步骤确实挺繁琐，不如来看看Netty 的操作，是骡子是马牵出来溜溜先，就当诸君饭后消个食。

Netty NIO中的主要模块

Netty是一个强大的网络编程框架，它由多个主要模块组成，每个模块负责不同的功能。以下是Netty中的一些主要模块：

1. Transport（传输层）

   • NIO： 这个模块实现了基于Java NIO的传输层，提供了非阻塞的网络通信功能。它包括NioEventLoopGroup、NioServerSocketChannel、NioSocketChannel等类，用于创建和管理NIO通道。

2. Buffer（缓冲区）

   • Java NIO中的ByteBuffer局限性：

     • ByteBuffer长度固定，不能动态伸缩和扩展，编码对象时容易引起索引越界异常

     • ByteBuffer只有一个标识位置的指针position，需要手工调用flip()和rewind()，不方便

     • ByteBuffer的API功能有限，需要使用者自己编程实现一些高级和实用的特性

   • 为了弥补这些不足，Netty NIO提供了自己的实现——ByteBuf：

     Netty提供了高性能的缓冲区实现ByteBuf，用于处理数据的读取和写入。ByteBuf提供了直接和间接缓冲区，并支持池化，以减少内存分配和回收的开销。

3. Codec（编解码器）

   • 编码器和解码器： 这个模块包括一系列编解码器，用于将数据序列化和反序列化为字节，以便在网络中传输。Netty提供了JSON、Protobuf、HTTP、WebSocket等多种编解码器。

4. Handler（处理器）

   • ChannelHandler： ChannelHandler是Netty中的核心概念，用于处理事件和数据。它可以自定义，用于构建处理链。Netty提供了各种内置的ChannelHandler，如SimpleChannelInboundHandler、ChannelDuplexHandler等。

5. EventLoop（事件循环）

   • EventLoopGroup： 这个模块包括了EventLoopGroup和EventLoop，用于实现事件循环机制。EventLoopGroup管理一组EventLoop，每个EventLoop负责处理一组通道上的事件。事件循环是Netty实现异步和事件驱动的关键。

6. Bootstrap和Channel（引导和通道）

   • ServerBootstrap和Bootstrap： 这两个类用于引导Netty应用程序的启动。ServerBootstrap用于启动服务器端，而Bootstrap用于启动客户端。

   • Channel和ChannelPipeline： Channel表示通道，它代表了一个网络连接。在Channel接口层，采用Fade模式进行统一封装。ChannelPipeline是处理链，包含一系列ChannelHandler，用于处理事件和数据。

7. Future和Promise（异步编程）

   • Future： Netty使用Future来表示异步操作的结果，允许开发者异步地等待操作完成。

   • Promise： Promise是Future的扩展，允许开发者设置操作的结果，使得异步编程更加方便。

Netty示例

服务端时序图

服务端代码

/**
 * Netty Server
 * 开始：需要绑定端口用于启动
 * 1.创建线程组bossGroup用于处理客户端连接
 * 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写
 * 3.创建Bootstrap服务启动辅助类，类似serverSocketChannel
 * 4.链式编程，构造线程组、serverChannel、options、channelHandle
 * 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer进行功能扩展
 * 结束：优雅退出关闭资源
 */
public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        new Server().bind(8088);
    }
​
    /**
     * 绑定端口用于启动
     * @param port 服务端口
     */
    public void bind(int port) {
        // 1.创建线程组bossGroup处理客户端连接
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        // 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 3.创建Bootstrap服务启动辅助类，类似serverSocketChannel
            ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();
            // 4.链式编程，构造线程组、serverChannel、options、channelHandle
            server.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                    .childHandler(new ChildChannelHandler());
            System.out.println("server start on port:" + port);
​
            // 绑定端口异步调用连接客户端，同步阻塞等待(连接结果)连接成功
            ChannelFuture channelFuture = server.bind(port).sync();
​
            // 异步调用close关闭链路，同步阻塞等待(关闭结果)关闭成功后退出main函数
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 优雅退出关闭资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
​
    /**
     * 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer进行功能扩展
     */
    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer {
​
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            socketChannel.pipeline().addLast(new ServerHandler());
        }
    }
​
    private class ServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; // 读取缓冲区可读取长度
            buf.readBytes(req);
            String body = new String(req, "UTF-8");
            System.out.println("Server receive msg:" + body);
            String currTime = "query time".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "error code";
            ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currTime.getBytes());
            ctx.write(resp);
        }
​
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
            ctx.close();
        }
​
        @Override
        public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            ctx.flush(); // 将发送缓冲数组中的消息通过flush()写入socketChannel发送，避免了频繁调用selector进行发送
        }
    }
}

客户端时序图

客户端代码

/**
 * 开始：连接服务端ip：port
 * 1.创建EventLoopGroup管理socket读取
 * 2.创建客户端辅助类Bootstrap，类似于之前的SocketChannel
 * 3.链式编程，构造客户端流程client、option、handler
 * 4.handler使用的是ChannelInitializer
 * 结束：优雅的关闭资源
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        new Client().connect("localhost", 8088);
    }
​
    /**
     * 连接服务端ip：port
     * @param ip 服务端地址
     * @param port 服务端端口
     */
    public void connect(String ip, int port) {
        // 1.创建EventLoopGroup管理socket读取
        EventLoopGroup group =new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 2.创建客户端辅助类Bootstrap，类似于之前的SocketChannel
            Bootstrap client = new Bootstrap();
            // 3.链式编程，构造客户端流程client、option、handler
            client.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                    .handler(new ChannelInitializer() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ClientHandler());
                        }
                    });
​
            // 发起异步连接操作
            ChannelFuture channelFuture = client.connect(ip, port).sync();
​
            // 等待服务端链路关闭
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 优雅退出，释放资源
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
​
    /**
     * 4.handler使用的是ChannelInitializer
     */
    public class ClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
            buf.readBytes(req);
            String body = new String(req, "UTF-8");
            System.out.println("client receive server send:" + body);
            channelActive(ctx);
        }
​
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入");
            String clientIn = scanner.nextLine();
            ByteBuf firstMessage = Unpooled.buffer(clientIn.getBytes().length);
            firstMessage.writeBytes(clientIn.getBytes());
            System.out.println("client send:" + clientIn);
            ctx.writeAndFlush(firstMessage);
        }
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
            ctx.close();
        }
    }
}

运行结果：

总结

不难看出，不管是流程步骤还是实现功能的代码行数，Netty NIO都是优于Java原生NIO的。到此，一个简单的NIO入门示例完成。

资料参考：《Netty权威指南》