漫谈Java IO之 Netty与NIO服务器

前面介绍了基本的网络模型以及IO与NIO，那么有了NIO来开发非阻塞服务器，大家就满足了吗？有了技术支持，就回去追求效率，因此就产生了很多NIO的框架对NIO进行封装——这就是大名鼎鼎的Netty。

前几篇的内容，可以参考：

为什么要使用开源框架？

这个问题几乎可以当做废话，框架肯定要比一些原生的API封装了更多地功能，重复造轮子在追求效率的情况并不是明智之举。那么先来说说NIO有什么缺点吧：

NIO的类库和API还是有点复杂，比如Buffer的使用
Selector编写复杂，如果对某个事件注册后，业务代码过于耦合
需要了解很多多线程的知识，熟悉网络编程
面对断连重连、保丢失、粘包等，处理复杂
NIO存在BUG，根据网上言论说是selector空轮训导致CPU飙升，具体有兴趣的可以看看JDK的官网

那么有了这些问题，就急需一些大牛们开发通用框架来方便劳苦大众了。最致命的NIO框架就是MINA和Netty了，这里不得不说个小插曲：

先来看看MINA的主要贡献者：

再来看看NETYY的主要贡献者：

总结起来，有这么几点：

MINA和Netty的主要贡献者都是同一个人——Trustin lee，韩国Line公司的。
MINA于2006年开发，到14、15年左右，基本停止维护
Nety开始于2009年，目前仍由苹果公司的norman maurer在主要维护。
Norman Maurer是《Netty in Action》一书的作者

因此，如果让你选择你应该知道选择谁了吧。另外，MINA对底层系统要求功底更深，且国内Netty的氛围更好，有李林峰等人在大力宣传（《Netty权威指南》的作者）。

讲了一大堆的废话之后，总结来说就是——Netty有前途，学它准没错。

Netty介绍

按照定义来说，Netty是一个异步、事件驱动的用来做高性能、高可靠性的网络应用框架。主要的优点有：

框架设计优雅，底层模型随意切换适应不同的网络协议要求
提供很多标准的协议、安全、编码解码的支持
解决了很多NIO不易用的问题
社区更为活跃，在很多开源框架中使用，如Dubbo、RocketMQ、Spark等

主要支持的功能或者特性有：

底层核心有：Zero-Copy-Capable Buffer，非常易用的灵拷贝Buffer（这个内容很有意思，稍后专门来说）；统一的API；标准可扩展的时间模型
传输方面的支持有：管道通信（具体不知道干啥的，还请老司机指教）；Http隧道；TCP与UDP
协议方面的支持有：基于原始文本和二进制的协议；解压缩；大文件传输；流媒体传输；protobuf编解码；安全认证；http和websocket

总之提供了很多现成的功能可以直接供开发者使用。

Netty服务器小例子

基于Netty的服务器编程可以看做是Reactor模型：

即包含一个接收连接的线程池（也有可能是单个线程，boss线程池）以及一个处理连接的线程池（worker线程池）。boss负责接收连接，并进行IO监听；worker负责后续的处理。为了便于理解Netty，直接看看代码:

package cn.xingoo.book.netty.chap04;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.charset.Charset;

public class NettyNioServer {
public void serve(int port) throws InterruptedException {
final ByteBuf buffer = Unpooled.unreleasableBuffer(Unpooled.copiedBuffer(“Hi\r\n”, Charset.forName(“UTF-8”)));
// 第一步，创建线程池
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

    <span class="hljs-keyword">try</span>{
        <span class="hljs-comment">// 第二步，创建启动类</span>
        ServerBootstrap b = <span class="hljs-keyword">new</span> ServerBootstrap();
        <span class="hljs-comment">// 第三步，配置各组件</span>
        b.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .localAddress(<span class="hljs-keyword">new</span> InetSocketAddress(port))
                .childHandler(<span class="hljs-keyword">new</span> ChannelInitializer&lt;SocketChannel&gt;() {
                    <span class="hljs-meta">@Override</span>
                    <span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">protected</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">initChannel</span><span class="hljs-params">(SocketChannel socketChannel)</span> <span class="hljs-keyword">throws</span> Exception </span>{
                        socketChannel.pipeline().addLast(<span class="hljs-keyword">new</span> ChannelInboundHandlerAdapter(){
                            <span class="hljs-meta">@Override</span>
                            <span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">channelActive</span><span class="hljs-params">(ChannelHandlerContext ctx)</span> <span class="hljs-keyword">throws</span> Exception </span>{
                                ctx.writeAndFlush(buffer.duplicate()).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
                            }
                        });
                    }
                });
        <span class="hljs-comment">// 第四步，开启监听</span>
        ChannelFuture f = b.bind().sync();
        f.channel().closeFuture().sync();
    } <span class="hljs-keyword">finally</span> {
        bossGroup.shutdownGracefully().sync();
        workerGroup.shutdownGracefully().sync();
    }
}

<span class="hljs-function"><span class="hljs-keyword">public</span> <span class="hljs-keyword">static</span> <span class="hljs-keyword">void</span> <span class="hljs-title">main</span><span class="hljs-params">(String[] args)</span> <span class="hljs-keyword">throws</span> InterruptedException </span>{
    NettyNioServer server = <span class="hljs-keyword">new</span> NettyNioServer();
    server.serve(<span class="hljs-number">5555</span>);
}

}

代码非常少，而且想要换成阻塞IO，只需要替换Channel里面的工厂类即可：

public class NettyOioServer {
    public void serve(int port) throws InterruptedException {
        final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(Unpooled.copiedBuffer("Hi\r\b", Charset.forName("UTF-8")));
    EventLoopGroup bossGroup = <span class="hljs-keyword">new</span> OioEventLoopGroup(<span class="hljs-number">1</span>);
    EventLoopGroup workerGroup = <span class="hljs-keyword">new</span> OioEventLoopGroup();

    <span class="hljs-keyword">try</span>{
        ServerBootstrap b = <span class="hljs-keyword">new</span> ServerBootstrap();
        b.group(bossGroup, workerGroup)<span class="hljs-comment">//配置boss和worker</span>
                .channel(OioServerSocketChannel.<span class="hljs-keyword">class</span>) <span class="hljs-comment">// 使用阻塞的SocketChannel</span>
     ....</code></pre>

概括来说，在Netty中包含下面几个主要的组件：

Bootstrap：netty的组件容器，用于把其他各个部分连接起来；如果是TCP的Server端，则为ServerBootstrap.
Channel：代表一个Socket的连接
EventLoopGroup：一个Group包含多个EventLoop，可以理解为线程池
EventLoop：处理具体的Channel，一个EventLoop可以处理多个Channel
ChannelPipeline：每个Channel绑定一个pipeline，在上面注册处理逻辑handler
Handler：具体的对消息或连接的处理，有两种类型，Inbound和Outbound。分别代表消息接收的处理和消息发送的处理。
ChannelFuture：注解回调方法

了解上面的基本组件后，就看一下几个重要的内容。

Netty的Buffer和零拷贝

在Unix操作系统中，系统底层可以基于mmap实现内核空间和用户空间的内存映射。但是在Netty中并不是这个意思，它主要来自于下面几个功能：

通过Composite和slice实现逻辑上的Buffer的组合和拆分，重新维护索引，避免内存拷贝过程。
通过DirectBuffer申请堆外内存，避免用户空间的拷贝。不过堆外内存的申请和释放都很麻烦，推荐小心使用。关于堆外内存的一些研究，还可以参考执勤的分享：Java堆外内存之突破JVM枷锁以及 Java直接内存与非直接内存性能测试
通过FileRegion包装FileChannel，直接实现channel到channel的传输。

另外，Netty自己封装实现了ByteBuf，相比于Nio原生的ByteBuffer，API上更易用了；同时支持容量的动态扩容；另外还支持Buffer的池化，高效复用Buffer。

public class ByteBufTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建bytebuf
        ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("hello".getBytes());
        System.out.println(buf);
    <span class="hljs-comment">// 读取一个字节</span>
    buf.readByte();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(buf);

    <span class="hljs-comment">// 读取一个字节</span>
    buf.readByte();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(buf);

    <span class="hljs-comment">// 丢弃无用数据</span>
    buf.discardReadBytes();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(buf);

    <span class="hljs-comment">// 清空</span>
    buf.clear();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(buf);

    <span class="hljs-comment">// 写入</span>
    buf.writeBytes(<span class="hljs-string">"123"</span>.getBytes());
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(buf);

    buf.markReaderIndex();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(<span class="hljs-string">"mark:"</span>+buf);

    buf.readByte();
    buf.readByte();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(<span class="hljs-string">"read:"</span>+buf);

    buf.resetReaderIndex();
    System.<span class="hljs-keyword">out</span>.println(<span class="hljs-string">"reset:"</span>+buf);
}

}

输出为：

UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 5, cap: 5/5)
UnpooledHeapByteBuf(ridx: 1, widx: 5, cap: 5/5)
UnpooledHeapByteBuf(ridx: 2, widx: 5, cap: 5/5)
UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 3, cap: 5/5)
UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 0, cap: 5/5)
UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 3, cap: 5/5)
mark:UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 3, cap: 5/5)
read:UnpooledHeapByteBuf(ridx: 2, widx: 3, cap: 5/5)
reset:UnpooledHeapByteBuf(ridx: 0, widx: 3, cap: 5/5)

有兴趣的可以看一下上一篇分享的ByteBuffer，对比一下，就能发现在Netty中通过独立的读写索引维护，避免读写模式的切换，更加方便了。

Handler的使用

前面介绍了Handler包含了Inbound和Outbound两种，他们统一放在一个双向链表中：

当接收消息的时候，会从链表的表头开始遍历，如果是inbound就调用对应的方法；如果发送消息则从链表的尾巴开始遍历。那么上面途中的例子，接收消息就会输出：

InboundA --> InboundB --> InboundC

输出消息，则会输出：

OutboundC --> OutboundB --> OutboundA

这里有段代码，可以直接复制下来，试试看：

package cn.xingoo.book.netty.pipeline;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.charset.Charset;

/**

注意：
1 ChannelOutboundHandler要在最后一个Inbound之前

*/
public class NettyNioServerHandlerTest {

<span class="hljs-keyword">final</span> static <span class="hljs-type">ByteBuf</span> buffer = <span class="hljs-type">Unpooled</span>.unreleasableBuffer(<span class="hljs-type">Unpooled</span>.copiedBuffer(<span class="hljs-string">"Hi\r\n"</span>, <span class="hljs-type">Charset</span>.forName(<span class="hljs-string">"UTF-8"</span>)));

public void serve(int port) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">InterruptedException</span> {


    <span class="hljs-type">EventLoopGroup</span> bossGroup = <span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">NioEventLoopGroup</span>(<span class="hljs-number">1</span>);
    <span class="hljs-type">EventLoopGroup</span> workerGroup = <span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">NioEventLoopGroup</span>();

    <span class="hljs-keyword">try</span>{
        <span class="hljs-type">ServerBootstrap</span> b = <span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">ServerBootstrap</span>();
        b.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(<span class="hljs-type">NioServerSocketChannel</span>.<span class="hljs-keyword">class</span>)
                .localAddress(<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">InetSocketAddress</span>(port))
                .childHandler(<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">ChannelInitializer</span>&lt;<span class="hljs-type">SocketChannel</span>&gt;() {
                    <span class="hljs-meta">@Override</span>
                    <span class="hljs-keyword">protected</span> void initChannel(<span class="hljs-type">SocketChannel</span> socketChannel) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
                        <span class="hljs-type">ChannelPipeline</span> pipeline = socketChannel.pipeline();
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"1"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">InboundA</span>());
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"2"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">OutboundA</span>());
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"3"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">InboundB</span>());
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"4"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">OutboundB</span>());
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"5"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">OutboundC</span>());
                        pipeline.addLast(<span class="hljs-string">"6"</span>,<span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">InboundC</span>());
                    }
                });
        <span class="hljs-type">ChannelFuture</span> f = b.bind().sync();
        f.channel().closeFuture().sync();
    } <span class="hljs-keyword">finally</span> {
        bossGroup.shutdownGracefully().sync();
        workerGroup.shutdownGracefully().sync();
    }
}

public static void main(<span class="hljs-type">String</span>[] args) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">InterruptedException</span> {
    <span class="hljs-type">NettyNioServerHandlerTest</span> server = <span class="hljs-keyword">new</span> <span class="hljs-type">NettyNioServerHandlerTest</span>();
    server.serve(<span class="hljs-number">5555</span>);
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">InboundA</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelInboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void channelRead(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">ByteBuf</span> buf = (<span class="hljs-type">ByteBuf</span>)msg;
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"InboundA read"</span>+buf.toString(<span class="hljs-type">Charset</span>.forName(<span class="hljs-string">"UTF-8"</span>)));
        <span class="hljs-keyword">super</span>.channelRead(ctx, msg);
    }
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">InboundB</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelInboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void channelRead(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">ByteBuf</span> buf = (<span class="hljs-type">ByteBuf</span>)msg;
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"InboundB read"</span>+buf.toString(<span class="hljs-type">Charset</span>.forName(<span class="hljs-string">"UTF-8"</span>)));
        <span class="hljs-keyword">super</span>.channelRead(ctx, msg);
        <span class="hljs-comment">// 从pipeline的尾巴开始找outbound</span>
        ctx.channel().writeAndFlush(buffer);
    }
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">InboundC</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelInboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void channelRead(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">ByteBuf</span> buf = (<span class="hljs-type">ByteBuf</span>)msg;
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"InboundC read"</span>+buf.toString(<span class="hljs-type">Charset</span>.forName(<span class="hljs-string">"UTF-8"</span>)));
        <span class="hljs-keyword">super</span>.channelRead(ctx, msg);
        <span class="hljs-comment">// 这样会从当前的handler向前找outbound</span>
        <span class="hljs-comment">//ctx.writeAndFlush(buffer);</span>
    }
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">OutboundA</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelOutboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void write(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg, <span class="hljs-type">ChannelPromise</span> promise) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"OutboundA write"</span>);
        <span class="hljs-keyword">super</span>.write(ctx, msg, promise);
    }
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">OutboundB</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelOutboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void write(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg, <span class="hljs-type">ChannelPromise</span> promise) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"OutboundB write"</span>);
        <span class="hljs-keyword">super</span>.write(ctx, msg, promise);
    }
}

<span class="hljs-keyword">private</span> static <span class="hljs-class"><span class="hljs-keyword">class</span> <span class="hljs-title">OutboundC</span> <span class="hljs-keyword">extends</span> <span class="hljs-title">ChannelOutboundHandlerAdapter</span> </span>{
    <span class="hljs-meta">@Override</span>
    public void write(<span class="hljs-type">ChannelHandlerContext</span> ctx, <span class="hljs-type">Object</span> msg, <span class="hljs-type">ChannelPromise</span> promise) <span class="hljs-keyword">throws</span> <span class="hljs-type">Exception</span> {
        <span class="hljs-type">System</span>.out.println(<span class="hljs-string">"OutboundC write"</span>);
        <span class="hljs-keyword">super</span>.write(ctx, msg, promise);
    }
}

}

参考

Felix_XY

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