Netty入门

Netty入门

一、前置知识

IO模型

Java主要支持三种网络编程IO模型：BIO、NIO、AIO

• BIO，同步阻塞（传统阻塞型），服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理。
  

• NIO，同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求（连接），即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求就进行处理。
  

• AIO，异步非阻塞，AIO 引入异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

Reactor模式

说明：

1. Reactor 模式，通过一个或多个输入同时传递给服务处理器的模式（基于事件驱动）
2. 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
3. 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
   核心组成：
4. Reactor：Reactor 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；
5. Handlers：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。

Reactor模型分类：

• 单 Reactor 单线程
  
• 单 Reactor 多线程
  
• 主从 Reactor 多线程 （netty基于此模式）
  

二、简介

• Netty 是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用以快速开发高性能、高可靠性的网络 IO 程序。
• Netty 主要针对在 TCP 协议下，面向 Client 端的高并发应用，或者 Peer-to-Peer 场景下的大量数据持续传输的应用。
• Netty 本质是一个 NIO 框架，适用于服务器通讯相关的多种应用场景。

三、组成部分

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。
常见方法：

• public ServerBootstrap group(EventLoopGroup parentGroup, EventLoopGroup childGroup)，该方法用于服务器端，用来设置两个 EventLoop
• public B group(EventLoopGroup group)，该方法用于客户端，用来设置一个 EventLoop
• public B channel(Class channelClass)，该方法用来设置一个服务器端的通道实现
• public B option(ChannelOption option, T value)，用来给 ServerChannel 添加配置
• public ServerBootstrap childOption(ChannelOption childOption, T value)，用来给接收到的通道添加配置
• public ServerBootstrap childHandler(ChannelHandler childHandler)，该方法用来设置业务处理类（自定义的handler）
• public ChannelFuture bind(int inetPort)，该方法用于服务器端，用来设置占用的端口号
• public ChannelFuture connect(String inetHost, int inetPort)，该方法用于客户端，用来连接服务器端

2）Channel

• 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 TCP Socket 连接。
  • NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 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。

3）ChannelHandler

ChannelHandler是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，支持很多协议，并且提供用于数据处理的容器。它可专用于几乎所有的动作，包括将一个对象转为字节（或相反），执行中抛出的异常处理。
常用的一个接口是ChannelInboundHandler，这个类型接收到入站事件可以处理应用程序逻辑。当你需要提供响应时，你也可以从ChannelInboundHandler冲刷数据。业务逻辑经常存活于一个或多个ChannelInboundHandler中

4）ChannelPipeline

ChannelPipeline 提供了一个容器给 ChannelHandler 链并提供了一个API 用于管理沿着链入站和出站事件的流动。每个 Channel 都有自己的ChannelPipeline，当 Channel 创建时自动创建的。ChannelHandler 是如何安装在 ChannelPipeline？ 主要是实现了ChannelHandler 的抽象 ChannelInitializer。ChannelInitializer子类通过 ServerBootstrap 进行注册。当它的方法 initChannel() 被调用时，这个对象将安装自定义的 ChannelHandler 集到 pipeline。当这个操作完成时，ChannelInitializer 子类则 从 ChannelPipeline 自动删除自身。

5）EventLoop

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

6）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。
常见方法：

• 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

四、工作原理

简单工作原理：

1. BossGroup 线程维护 Selector，只关注 Accecpt
2. 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
3. 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

详细工作原理：

1. 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
2. BossGroup 和 WorkerGroup 类型都是 NioEventLoopGroup
3. 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
4. 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
5. NioEventLoopGroup 可以有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop
6. 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
• 处理任务队列的任务，即 runAllTasks

1. 每个 Worker NIOEventLoop 循环执行的步骤

• 轮询 read，write 事件
• 处理 I/O 事件，即 read，write 事件，在对应 NioScocketChannel 处理
• 处理任务队列的任务，即 runAllTasks

1. 每个 Worker NIOEventLoop 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