1.Netty初探

NIO 的类库和 API 繁杂， 使用麻烦，需要熟练掌握Selector、 ServerSocketChannel、 SocketChannel、 ByteBuffer等。

开发工作量和难度都非常大：例如客户端面临断线重连、 网络闪断、心跳处理、半包读写、 网络拥塞和异常流的处理等等。

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了良好的封装，解决了上述问题。且Netty拥有高性能、 吞吐量更高，延迟更低，减少资源消耗，最小化不必要的内存复制等优点。

Netty 现在都在用的是4.x，5.x版本已经废弃，Netty 4.x 需要JDK 6以上版本支持

2.Netty的使用场景

1）互联网行业：在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 RPC 框架使用。典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo 的RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现。各进程节点之间的内部通信。Rocketmq底层也是用的Netty作为基础通信组件。

2）游戏行业：无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用。Netty 作为高性能的基础通信组件，它本身提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈。

3）大数据领域：经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信，它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

netty相关开源项目：

https://netty.io/wiki/related-projects.html

3.Netty通讯示例

3.1.Netty的maven依赖：

 <dependency>
     <groupId>io.netty</groupId>
     <artifactId>netty‐all</artifactId>
     <version>4.1.35.Final</version>
</dependency>

3.2.服务端的代码

真正关键的其实就三四行代码

public class NettyServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 创建两个线程组bossGroup和workerGroup, 含有的子线程NioEventLoop的个数默认为cpu核数的两倍
        // bossGroup只是处理连接请求 ,真正的和客户端业务处理，会交给workerGroup完成
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(8);
        try {
            // 创建服务器端的启动对象
            ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
            // 使用链式编程来配置参数
            bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组
                    // 使用NioServerSocketChannel作为服务器的通道实现
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    // 初始化服务器连接队列大小，服务端处理客户端连接请求是顺序处理的,所以同一时间只能处理一个客户端连接。
                    // 多个客户端同时来的时候,服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//创建通道初始化对象，设置初始化参数，在 SocketChannel 建立起来之前执行

                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            //对workerGroup的SocketChannel设置处理器
                            ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                        }
                    });
            System.out.println("netty server start。。");
            // 绑定一个端口并且同步, 生成了一个ChannelFuture异步对象，通过isDone()等方法可以判断异步事件的执行情况
            // 启动服务器(并绑定端口)，bind是异步操作，sync方法是等待异步操作执行完毕
            ChannelFuture cf = bootstrap.bind(9000).sync();
            // 给cf注册监听器，监听我们关心的事件
            /*cf.addListener(new ChannelFutureListener() {
                @Override
                public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                    if (cf.isSuccess()) {
                        System.out.println("监听端口9000成功");
                    } else {
                        System.out.println("监听端口9000失败");
                    }
                }
            });*/
            // 等待服务端监听端口关闭，closeFuture是异步操作
            // 通过sync方法同步等待通道关闭处理完毕，这里会阻塞等待通道关闭完成，内部调用的是Object的wait()方法
            cf.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

3.3.客户端代码：

public class NettyClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //客户端需要一个事件循环组
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //创建客户端启动对象
            //注意客户端使用的不是ServerBootstrap而是Bootstrap
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            //设置相关参数
            bootstrap.group(group) //设置线程组
                    .channel(NioSocketChannel.class) // 使用NioSocketChannel作为客户端的通道实现
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            //加入处理器
                            ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler());
                        }
                    });

            System.out.println("netty client start。。");
            //启动客户端去连接服务器端
            ChannelFuture cf = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000).sync();
            //对通道关闭进行监听
            cf.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
}

3.4.服务端管理器 Handler

接收客户端连接请求、收发数据请求，Handler 是我们处理业务的类，里面有很多的方法可以去实现

/**
 * 自定义Handler需要继承netty规定好的某个HandlerAdapter(规范)
 */
public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 当客户端连接服务器完成就会触发该方法
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        System.out.println("客户端连接通道建立完成");
    }

    /**
     * 读取客户端发送的数据
     *
     * @param ctx 上下文对象, 含有通道channel，管道pipeline
     * @param msg 就是客户端发送的数据
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        //Channel channel = ctx.channel();
        //ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站
        //将 msg 转成一个 ByteBuf，类似NIO 的 ByteBuffer
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到客户端的消息:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    /**
     * 数据读取完毕处理方法
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) {
        ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloClient".getBytes(CharsetUtil.UTF_8));
        ctx.writeAndFlush(buf);
    }

    /**
     * 处理异常, 一般是需要关闭通道
     *
     * @param ctx
     * @param cause
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        ctx.close();
    }
}

3.5.客户端管理器Handler（收发服务端数据）

public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    /**
     * 当客户端连接服务器完成就会触发该方法
     *
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloServer".getBytes(CharsetUtil.UTF_8));
        ctx.writeAndFlush(buf);
    }

    //当通道有读取事件时会触发，即服务端发送数据给客户端
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        System.out.println("收到服务端的消息:" + buf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

看完代码，我们发现Netty框架的目标就是让你的业务逻辑从网络基础应用编码中分离出来，让你可以专注业务的开发，而不需写一大堆类似NIO的网络处理操作。

4.Reactor 响应式编程设计模式

AWT:J2EE的知识，提供一个按钮触发事件，调起后台的监听器并处理事件；

Reactor就是基于事件的响应式编程模型；

4.1.基本的响应式编程模型设计：

我们可以把下图当做是我们前面讲的NIO的一个底层实现，Reactor相当于Selector, 所有的读写事件连接事件都会注册到Reactor上面去，只要有channel的事件响应了，Reactor都可以感知的到，感知到之后他就会去处理（dispatch），这里所有的事件都是一个线程在处理，极致的压榨这个线程的资源，让他不停的工作；

NIO最牛的地方就是把一个线程的性能压榨到了极致，中间不会说因为某个客户端没有给他发消息而导致阻塞，因为他是非阻塞的，他会不断的去轮循看有没有事件，有了就马上处理；

4.2.优化后的响应式编程模型设计：

在我们前面讲的NIO模型还是有问题的，当如果有十万个连接，并且这十万个连接之中有5万个连接有事件的收发需要处理，那么一个线程去处理这五万个连接事件的收发还是很费时的，如果这时候还有其他的连接请求过了，那得等线程先处理完前面的五万个收发事件；

所以多线程版本的优化是在Reactor单线程处理的基础上加多一个线程池去处理所有连接的收发事件，而主线程只负责分配事件给线程池 ；把服务所有的读写事件交给线程池去处理；

这就是多线程版的一个Reactor模型，但他还是比较基础的一个版本；

4.3.再次优化后的响应式编程模型设计：

上面讲的多线程版本的Reactor只是对读写事件的优化（read）, 还可以再次优化的是响应连接的部分逻辑，当主线程在分发五万个事件给线程池的时候，在他分发完成之前也是处理不了后面来的客户端连接请求的，在做事件分发的时候主线程也会存在阻塞的问题, 所以并发编程的作者在这里对他再次进行了优化，也就是搞主从Reactor，mainReactor专门用来处理客户端的连接请求，给客户端响应，再把所有连接交给subReactor,由subReactor去处理连接中的读写事件，mainReactor专门处理连接的事件，subReactor专门处理读写的事件；

Netty核心线程模型全部是基于Reactor来实现的，也就是上面这个图的设计模型来实现的，而Reactor的编程模型底层就是NIO,而NIO还是epoll，无非就是对NIO做了一些封装;

基本的一主一从的Reactor，还可以再优化成一主多从，如果是那种单机物理配置比较高的，并且单机如果有百万的连接并发，那么可以搞多主多从;

讲到这里我们就可以回到Netty的代码上,之里的两个线程池，bossGroup只处理客户端的连接请求，workerGroup则处理所有连接的读写事件（信息的收发），构造器如果不赋int参数，则默认都是一主一从，像下面这样则是1主8从，很多情况下从Reactor会比主的Reactor要多(Reactor相当于NIO中的Selcetor)，因为处理连接中的读写业务的时间总会比处理给客户端的连接做响应要慢的多；

然后把我们创建的线程池交给服务器的启动对象ServerBootstrap；

// 创建两个线程组bossGroup和workerGroup, 含有的子线程NioEventLoop的个数默认为cpu核数的两倍
// bossGroup只是处理连接请求 ,真正的和客户端业务处理，会交给workerGroup完成
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(8);
    // 创建服务器端的启动对象
    ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
    // 使用链式编程来配置参数
    bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组

5.Netty核心线程模型

5.1.Netty 的线程模型如下图所示：

下面是一个一主多从的Netty线程模型，基本的流程：

1、客户端把连接注册到Boss Group的NioEventLoop线程池里面;

2、NioEventLoop线程池的select函数处理Accept连接事件；

3、处理完之后把所有连接的channel注册到Worker Group的线程池的Selector里，每一个channel注册到一个Selector中，channel可以注册到不同的Worker Group中的NioEventLoop里，从线程池存在多个NioEventLoop；

4、Worker Group的select函数开始处理线程池中的读写事件；

5、处理完后把这些读写事件的收发信息给到pipeline管道中；

6、我们在代码中去实现一个个的Handler拦截器获取这些收发信息并做处理；

pipeline相当于一个服务端里的管道，管道里面可以有很多Handler，当有读写事件经过的时候，Hendler会去把这些事件拦截下来并做处理(我们可以把他理解为是一个一个的拦截器);

6.Netty核心组件详解

6.1.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。

6.2.Future、ChannelFuture

正如前面介绍，在 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 Future 和 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。

6.3.Channel

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

1）当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）

2）网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）

3）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。

4）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。

5）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。

下面是一些常用的 Channel 类型：

1 NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。

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

3 NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。

4 NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。

5 NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接。

6 这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

6.4.Selector

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。

当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多 个 Channel 。

6.5.NioEventLoop

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：

I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。

非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

6.6.NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程。

6.7.ChannelHandler

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

1 ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。

2 ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类：1 ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。

2 ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。

6.8.ChannelHandlerContext

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。

6.9.ChannelPipline

保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。

ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各 个的 ChannelHandler 如何相互交互。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下：

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个ChannelHandler。

read事件(入站事件)和write事件(出站事件)在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰。

7.ByteBuf 详解

从结构上来说，ByteBuf 由一串字节数组构成。数组中每个字节用来存放信息。

ByteBuf 提供了两个索引，一个用于读取数据，一个用于写入数据。这两个索引通过在字节数组中移动，来定位需要读或者写信息的位置。

当从 ByteBuf 读取时，它的 readerIndex（读索引）将会根据读取的字节数递增。

同样，当写 ByteBuf 时，它的 writerIndex 也会根据写入的字节数进行递增。

需要注意的是极限的情况是 readerIndex 刚好读到了 writerIndex 写入的地方。

如果 readerIndex 超过了 writerIndex 的时候，Netty 会抛出 IndexOutOf-BoundsException 异常。

7.1.ByteBuf 示例代码：

需要注意的是以下这三个区域的划分，在使用ByteBuf时应注意数组越界问题；

已经读取的区域：[0,readerindex)
可读取的区域：[readerindex,writerIndex)
可写的区域: [writerIndex,capacity)

public class NettyByteBuf {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建byteBuf对象，该对象内部包含一个字节数组byte[10]
        // 通过readerindex和writerIndex和capacity，将buffer分成三个区域
        // 已经读取的区域：[0,readerindex)
        // 可读取的区域：[readerindex,writerIndex)
        // 可写的区域: [writerIndex,capacity)
        ByteBuf byteBuf = Unpooled.buffer(1);
        System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);

        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            byteBuf.writeByte(i);
        }
        System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(byteBuf.getByte(i));
        }
        System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            System.out.println(byteBuf.readByte());
        }
        System.out.println("byteBuf=" + byteBuf);


        //用Unpooled工具类创建ByteBuf
        ByteBuf byteBuf2 = Unpooled.copiedBuffer("hello,zhuge!", CharsetUtil.UTF_8);
        //使用相关的方法
        if (byteBuf2.hasArray()) {
            byte[] content = byteBuf2.array();
            //将 content 转成字符串
            System.out.println(new String(content, CharsetUtil.UTF_8));
            System.out.println("byteBuf2=" + byteBuf2);

            System.out.println(byteBuf2.getByte(0)); // 获取数组0这个位置的字符h的ascii码，h=104

            int len = byteBuf2.readableBytes(); //可读的字节数  12
            System.out.println("len=" + len);

            //使用for取出各个字节
            for (int i = 0; i < len; i++) {
                System.out.println((char) byteBuf2.getByte(i));
            }

            //范围读取
            System.out.println(byteBuf2.getCharSequence(0, 6, CharsetUtil.UTF_8));
            System.out.println(byteBuf2.getCharSequence(6, 6, CharsetUtil.UTF_8));
        }
    }
}

原文始发于微信公众号（轻洲技术）：Netty 案例以及实现原理