Practical Netty (3) 在Netty中使用Protobuf
Practical Netty (3) 在Netty中使用Protobuf
- 作者：柳大·Poechant（钟超）
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- 博客：Blog.CSDN.net/Poechant
- 微博：weibo.com/lauginhom
- 日期：June 8th, 2012
1. Netty 核心概念之一：Upstream 与 Downstream
学过 OSI 的 5 层或 TCP/IP 的 7 层网络模型知道，应用层位于传输层之上。所以从传输层的 Socket 读取数据，就是从下层向上层传输，就是 Upstream；反过来向 Socket 写数据，就是从应用层向传输层发送数据，就是 Downstream，即向 Socket 写。
从LocalTime 实例中 ServerBootstrap 是惯常用法，其中要注意的是：
bootstrap.setPipelineFactory(new LocalTimeServerPipelineFactory());
下面是LocalTimeServer的实现：
28 public class LocalTimeServer {
29
30 private final int port;
31
32 public LocalTimeServer(int port) {
33 this.port = port;
34 }
35
36 public void run() {
37 // Configure the server.
38 ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(
39 new NioServerSocketChannelFactory(
40 Executors.newCachedThreadPool(),
41 Executors.newCachedThreadPool()));
42
43 // Set up the event pipeline factory.
44 bootstrap.setPipelineFactory(new LocalTimeServerPipelineFactory());
45
46 // Bind and start to accept incoming connections.
47 bootstrap.bind(new InetSocketAddress(port));
48 }
49
50 public static void main(String[] args) throws Exception {
51 int port;
52 if (args.length > 0) {
53 port = Integer.parseInt(args[0]);
54 } else {
55 port = 8080;
56 }
57 new LocalTimeServer(port).run();
58 }
59 }
LocalTimeServerPipelineFactory的实现如下。在ChannelPipelineFactory的实现类的getPipeline函数中需要创建一个管道（pipeline），然后在管道中按照顺序添加 Upstream Handlers 和 Downstream Handlers。这其中的规则，如果用图表示的话，如下。
I/O Request
via Channel or
ChannelHandlerContext
|
+----------------------------------------+---------------+
| ChannelPipeline | |
| \|/ |
| +----------------------+ +-----------+------------+ |
| | Upstream Handler N | | Downstream Handler 1 | |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| /|\ | |
| | \|/ |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| | Upstream Handler N-1 | | Downstream Handler 2 | |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| /|\ . |
| . . |
| [ sendUpstream() ] [ sendDownstream() ] |
| [ + INBOUND data ] [ + OUTBOUND data ] |
| . . |
| . \|/ |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| | Upstream Handler 2 | | Downstream Handler M-1 | |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| /|\ | |
| | \|/ |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| | Upstream Handler 1 | | Downstream Handler M | |
| +----------+-----------+ +-----------+------------+ |
| /|\ | |
+-------------+--------------------------+---------------+
| \|/
+-------------+--------------------------+---------------+
| | | |
| [ Socket.read() ] [ Socket.write() ] |
| |
| Netty Internal I/O Threads (Transport Implementation) |
+--------------------------------------------------------+
2. Netty 核心概念之二：Pipeline 与 Upstream、Downstream 如何组织
Upstream 和 Downstream 都是在 Pipeline 中“流动”的，所以影响 Upstream 和 Downstream 行为的 UpstreamHandler 和 DownstreamHandler，也要被放到 Pipeline 里，吼吼。所以呢，就有如下的代码：
ChannelPipeline p = Channels.pipeline();
p.addLast("1", new UpstreamHandlerA());
p.addLast("2", new UpstreamHandlerB());
p.addLast("3", new DownstreamHandlerA());
p.addLast("4", new DownstreamHandlerB());
p.addLast("5", new UpstreamHandlerX());
则实际的 Upstream 和 Downstream 执行顺序是：
upstream: 1, 2, 5
downstream: 4, 3
当然其中任何一个 Handler 也可以兼有 Upstream 和 Downstream 的功能。下面是 Netty 中使用 Protobuf 的经典方式的实例，即官方的 LocalServer 的用法。
27 public class LocalTimeServerPipelineFactory implements ChannelPipelineFactory {
28
29 public ChannelPipeline getPipeline() throws Exception {
30 ChannelPipeline p = pipeline();
31 p.addLast("frameDecoder", new ProtobufVarint32FrameDecoder());
32 p.addLast("protobufDecoder", new ProtobufDecoder(LocalTimeProtocol.Locations.getDefaultInstance()));
33
34 p.addLast("frameEncoder", new ProtobufVarint32LengthFieldPrepender());
35 p.addLast("protobufEncoder", new ProtobufEncoder());
36
37 p.addLast("handler", new LocalTimeServerHandler());
38 return p;
39 }
40 }
- 首先添加
ProtobufVarint32FrameDecoder和ProtobufDecoder用于解码 Protobuf package，注意顺序，前者是解码标识长度的 32 位数据，后者才是解码包内容。他们都是 Upstream Handlers，顺序为自上而下。 - 然后添加
ProtobufVarint32LengthFieldPrepender和ProtobufEncoder用于编码 Protobuf package，注意顺序，前者是编码标识长度的 32 位数据，后者才是编码包内容的。他们都是 Downstream Handlers，顺序为自下而上。 LocalTimeServerHandler是自定义的，也是一个 Upstream Handler。所以这里 Upstream（从Socket读到数据后）的执行顺序为ProtobufVarint32FrameDecoder、ProtobufDecoder和LocalTimeServerHandler，Downstream（向Socket写数据前）的执行顺序为protobufEncoder和frameEncoder。
这里要说的是，Netty 中提供的关于 Protobuf 的类只有这四个：
org.jboss.netty.handler.codec.protobuf
- ProtobufDecoder
- ProtobufEncoder
- ProtobufVariant32FrameDecoder
- ProtobufVariant32FrameEncoder
3. Netty 中如何处理 Protobuf 数据包
3.1. Netty 官方示例 LocalTime 中的 Protobuf 使用方式一览
那接下来我们就看看LocalTimeServerHandler的实现方式吧。这个类继承自SimpleChannelUpstreamHandler，说明只有从 Socket 接收数据时（Upstream）才会响应这个类的方法。它覆盖了四个方法，如下：
public class LocalTimeServerHandler extends SimpleChannelUpstreamHandler {
public void handleUpstream(…){…}
public void messageReceived(…){…}
public void exceptionCaught(…){…}
private static String toString(…){…}
}
除了messageReceived之外，其他的都不是重点。看看messageReceived吧。
54 public void messageReceived(ChannelHandlerContext ctx, MessageEvent e) {
55
56 Locations locations = (Locations) e.getMessage();
57 long currentTime = System.currentTimeMillis();
58
59 LocalTimes.Builder builder = LocalTimes.newBuilder();
60 for (Location l: locations.getLocationList()) {
61 TimeZone tz = TimeZone.getTimeZone(
62 toString(l.getContinent()) + '/' + l.getCity());
63 Calendar calendar = getInstance(tz);
64 calendar.setTimeInMillis(currentTime);
65
66 builder.addLocalTime(LocalTime.newBuilder().
67 setYear(calendar.get(YEAR)).
68 setMonth(calendar.get(MONTH) + 1).
69 setDayOfMonth(calendar.get(DAY_OF_MONTH)).
70 setDayOfWeek(DayOfWeek.valueOf(calendar.get(DAY_OF_WEEK))).
71 setHour(calendar.get(HOUR_OF_DAY)).
72 setMinute(calendar.get(MINUTE)).
73 setSecond(calendar.get(SECOND)).build());
74 }
75
76 e.getChannel().write(builder.build());
77 }
你可能会问这个 Locations 是神马。这是 Protobuf 生成的一个 Java 类，留在后面说，你现在要知道的，就是 Locations 就是一个由 Protobuf 反序列化（Deserialize 或 Unmarshall）之后的东东。
3.2. 如何生成 Protobuf 的 Java 源文件
如果我们不讲讲 Protobuf 生成 Java 类的内容，似乎有点说不过去了，那就说说吧。
下面是一个 Protobuf 的 Protocol 定义文件的内容，文件名为LocalTimeProtocol.proto（关于 Protobuf 的入门实例，可以参考《Google Protobuf——实现跨平台跨语言的序列化/反序列化》）。
package org.jboss.netty.example.localtime;
option optimize_for = SPEED;
enum Continent {
AFRICA = 0;
AMERICA = 1;
ANTARCTICA = 2;
ARCTIC = 3;
ASIA = 4;
ATLANTIC = 5;
AUSTRALIA = 6;
EUROPE = 7;
INDIAN = 8;
MIDEAST = 9;
PACIFIC = 10;
}
message Location {
required Continent continent = 1;
required string city = 2;
}
message Locations {
repeated Location location = 1;
}
enum DayOfWeek {
SUNDAY = 1;
MONDAY = 2;
TUESDAY = 3;
WEDNESDAY = 4;
THURSDAY = 5;
FRIDAY = 6;
SATURDAY = 7;
}
message LocalTime {
required uint32 year = 1;
required uint32 month = 2;
required uint32 dayOfMonth = 4;
required DayOfWeek dayOfWeek = 5;
required uint32 hour = 6;
required uint32 minute = 7;
required uint32 second = 8;
}
message LocalTimes {
repeated LocalTime localTime = 1;
}
可能有些朋友还不太了解 Protobuf，所以我在这里细说下。Protobuf 是 Google 开源的一个平台无关、语言无关的结构化数据的序列化与反序列化工具，将上面的内容保存到文件后，在控制台下输入命令（当然你要事先按照 Google Protocol Buffers 或者《Google Protobuf——实现跨平台跨语言的序列化/反序列化》一文的指导安装 Protobuf）：
$ protoc LocalTimeProtocol.proto --java_out=.
就可以在当前目录下生成 Java 类了（并且包括相应的目录结构）。在上面的 Protobuf 定义文件中，出现了Location、Locations、LocalTime和LocalTimes这几个message。其中Location的定义如下：
message Location {
required Continent continent = 1;
required string city = 2;
}
其中required限定符表示是这个Location message中必须包含的字段。那么再看Locations：
message Locations {
repeated Location location = 1;
}
这里的repeated限定符表示这是一个多元字段，即包含一组内容。后面的Location表明其中的元素是Locationmessage。LocalTime和LocalTimes的关系与其类似。
另外还要注意到的是Continent和DayOfWeek两个枚举类型（enum），它同 C++、Java 中的枚举定义类似（与 C++ 更类似些），这两个枚举类型分别被用在了Location和LocalTime两个 messages 中。
3.3. 如何使用 Protobuf 生成的 Java 类
3.3.1. 获取一个普通消息
上面我们看到了，一个普通的 message，比如
Locations，就叫Locations。全称是org.jboss.netty.example.localtime.LocalTimeProtocol.Locations
在SimpleChannelUpstreamHandler.messageReceived()中是如下使用的：
Locations locations = (Locations) e.getMessage(); // e is an instance of MessageEvent
3.3.2. 从消息中 get 一个 required 成员
Location中的Continent和City是required字段，他们是最普通不过的，get如下：
l.getContinent()) + '/' + l.getCity()
如果 get 出来的是一个由 Protobuf 消息自身定义的 enum，则其值是定义中的对应的 int 值。
3.3.3. 从消息中 get 一个 repeated 成员
message定义中如果有repeated字段，如Locations有repeated Location location，则这个字段的值的取出方法是：Locations locations = (Locations) e.getMessage(); for (Location l: locations.getLocationList()) { … }
3.3.4. 生成一个普通消息
LocalTime localTime = LocalTime.newBuilder().build();
build()的返回值就是一个 LocalTime 实例。但是这样创建的一个 LocalTime，它的各 required 字段还没有设置，所以请看 3.3.5。
3.3.5. 向消息中 set 一个 required 成员
在 3.3.4. 中创建的一个 LocalTime，可以如下链式操作：
LocalTime.newBuilder().
setYear(calendar.get(YEAR)).
setMonth(calendar.get(MONTH) + 1).
setDayOfMonth(calendar.get(DAY_OF_MONTH)).
setDayOfWeek(DayOfWeek.valueOf(calendar.get(DAY_OF_WEEK))).
setHour(calendar.get(HOUR_OF_DAY)).
setMinute(calendar.get(MINUTE)).
setSecond(calendar.get(SECOND)).build()
LocalTime localTime =
newBuilder返回的是一个Builder，setYear、setMonth等等返回的也是一个Builder，这样很方便链式写法。
3.3.5. 向消息中 set 一个 repeated 成员
LocalTimes包含一个 repeated 成员，所以要如下 set：
LocalTimes.Builder builder = LocalTimes.newBuilder();
builder.addLocalTime(localTime1);
builder.addLocalTime(localTime2);
builder.addLocalTime(localTime3);
LocalTimes localTimes = builder.build();
其中localTime1、localTime3、localTime3都是通过 3.3.4. 中的方式得到的。
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