Netty笔记01-Netty的基本概念与用法

---

1. 概述

1.1 Netty 是什么？

Netty is an asynchronous event-driven network application framework
for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients.
Netty 是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架，用于快速开发可维护、高性能的网络服务器和客户端。

Netty 提供了一套简洁的 API 来帮助开发者处理各种网络通信任务，支持多种传输协议，包括 TCP、UDP、文件传输等，并且能够很好地适配各种操作系统。

1.2 Netty 的特点

1. 异步非阻塞：Netty 使用异步非阻塞 I/O 模型，可以处理大量的并发连接，非常适合构建高性能的服务器和客户端应用程序。
2. 高度模块化：Netty 的架构设计非常灵活，采用了责任链模式（ChannelPipeline）来处理入站和出站的数据流，使得开发者可以轻松地添加自己的处理逻辑。
3. 事件驱动：Netty 通过 EventLoop 来处理 I/O 事件，可以高效地处理大量的并发连接。
4. 高并发：Netty 能够高效地处理成千上万的并发连接，非常适合构建大规模的分布式系统。
5. 跨平台：Netty 支持多种操作系统，并且能够根据不同的操作系统选择最佳的 I/O 模型，例如在 Linux 系统上可以使用更高效的 Epoll 模型。
6. 广泛的协议支持：Netty 支持多种协议，包括 HTTP、WebSocket、SMTP、FTP、Mysql 等，并且提供了丰富的编解码工具。
7. 易于扩展：Netty 的设计考虑到了可扩展性，开发者可以根据需要轻松地扩展框架的功能。

1.3 Netty 的作者

他还是另一个著名网络应用框架 Mina 的重要贡献者

1.4 Netty 的地位

Netty 在 Java 网络应用框架中的地位就好比：Spring 框架在 JavaEE 开发中的地位
以下的框架都使用了 Netty，因为它们有网络通信需求！

• Cassandra - nosql 数据库
• Spark - 大数据分布式计算框架
• Hadoop - 大数据分布式存储框架
• RocketMQ - ali 开源的消息队列
• ElasticSearch - 搜索引擎
• gRPC - rpc 框架
• Dubbo - rpc 框架
• Spring 5.x - flux api 完全抛弃了 tomcat ，使用 netty 作为服务器端
• Zookeeper - 分布式协调框架

1.5 Netty 的优势

性能：Netty 的异步非阻塞 I/O 模型使其能够处理大量的并发连接，非常适合高并发场景。
易用性：Netty 提供了一套简洁的 API，使得开发者可以快速地开发网络应用程序。
社区支持：Netty 拥有一个活跃的社区，提供了丰富的文档和支持。

• Netty vs NIO，NIO工作量大，bug 多
  • 需要自己构建协议
  • 解决 TCP 传输问题，如粘包、半包
  • epoll 空轮询导致 CPU 100%
  • 对 API 进行增强，使之更易用，如 FastThreadLocal => ThreadLocal，ByteBuf => ByteBuffer
• Netty vs 其它网络应用框架
  • Mina 由 apache 维护，将来 3.x 版本可能会有较大重构，破坏 API 向下兼容性，Netty 的开发迭代更迅速，API 更简洁、文档更优秀
  • 久经考验，16年，Netty 版本
    • 2.x 2004
    • 3.x 2008
    • 4.x 2013
    • 5.x 已废弃（没有明显的性能提升，维护成本高）

1.6 Netty 的工作原理

Netty 的工作原理主要包括以下几个方面：

1. 创建 Channel：当启动一个 Netty 应用程序时，会创建一个或多个 Channel。
   • 如果是服务器，则创建一个 ServerChannel（如 NioServerSocketChannel），用于监听连接；
   • 如果是客户端，则创建一个 ClientChannel（如 NioSocketChannel），用于发起连接。
2. 注册到 EventLoop：每个 Channel 都会注册到一个 EventLoop 上，EventLoop 负责监听该 Channel 上的 I/O 事件。
3. 事件处理：当 Channel 上有 I/O 事件发生时，EventLoop 会调用 ChannelPipeline 中的 ChannelHandler 来处理这些事件。
4. 任务执行：除了处理 I/O 事件之外，EventLoop 还可以执行与 Channel 相关的任务，如用户提交的业务逻辑任务。

1.7 Netty 的应用场景

Netty 被广泛应用于多种领域，包括但不限于：

• Web 服务器：构建高性能的 HTTP 服务器。
• 游戏服务器：处理大量的玩家连接和游戏数据交换。
• 即时通讯系统：构建高并发的聊天应用。
• 分布式系统：作为基础的通信框架，支撑大规模的分布式系统。
• 大数据处理：用于处理大规模的数据流。
• IoT 应用：处理来自物联网大量设备的数据。

1.8 Netty 的重要组件

• EventLoop：负责处理 I/O 事件，并执行与 Channel 相关联的任务。
• EventLoopGroup：管理一组 EventLoop 实例，为 Channel 提供一个或多个 EventLoop 供其使用。
• Channel：代表一个网络连接，用于进行数据的读取和写入操作。
• ChannelFuture：代表一个异步操作的结果。ChannelFuture 提供了对异步操作完成状态的检查方法。
• ChannelPipeline：用于处理入站和出站的数据流，是一个责任链模式的实现。
• ChannelHandler：处理具体的业务逻辑，例如解码、编码、业务逻辑处理等。
• ByteBuf：用于存储和操作二进制数据的缓冲区。ByteBuf 提供了高效的数据读写操作。
• Bootstrap：用于创建新的 Channel，配置 Channel 的参数和初始化 ChannelPipeline。

2. 第一个程序

2.1 目标

开发一个简单的服务器端和客户端

• 客户端向服务器端发送 hello, world
• 服务器仅接收，不返回

加入依赖

<dependency><groupId>io.netty</groupId><artifactId>netty-all</artifactId><version>4.1.39.Final</version>
</dependency>

2.2 服务器端

new ServerBootstrap().group(new NioEventLoopGroup()) // 1.channel(NioServerSocketChannel.class) // 2.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() { // 3protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); // 5ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() { // 6@Overrideprotected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {System.out.println(msg);}});}}).bind(8080); // 4

代码解读

• 1 处，创建 NioEventLoopGroup，可以简单理解为 线程池 + Selector 后面会详细展开
• 2 处，选择服务 Scoket 实现类，其中 NioServerSocketChannel 表示基于 NIO 的服务器端实现，其它实现还有
  
• 3 处，为啥方法叫 childHandler，是接下来添加的处理器都是给 SocketChannel 用的，而不是给 ServerSocketChannel。ChannelInitializer 处理器（仅执行一次），它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后，执行 initChannel 以便添加更多的处理器
• 4 处，ServerSocketChannel 绑定的监听端口
• 5 处，SocketChannel 的处理器，解码 ByteBuf => String
• 6 处，SocketChannel 的业务处理器，使用上一个处理器的处理结果

完整代码

public class HelloServer {public static void main(String[] args) {// 1. 启动器，负责组装 netty 组件，启动服务器new ServerBootstrap()// 2. BossEventLoop, WorkerEventLoop(selector,thread)，表示通过group加入了一个EventLoop的组//EventLoopGroup内部使用线程和选择器不断循环监听是否有新的事件.group(new NioEventLoopGroup())//一开始监听accept事件，由其中的一个EventLoop进行处理accept事件//当接受到客户端发送的数据时，触发read事件，由某个EventLoop处理，交给initChannel()中配置的处理器，从上到下进行处理// 3. 选择服务器的ServerSocketChannel实现，NioServerSocketChannel相当于对ServerSocketChannel做了封装.channel(NioServerSocketChannel.class) // 还支持OIO(OioServerSocketChannel)，其实就是BIO// 4. boss 负责处理连接，worker(child) 负责处理读写，// childHandler决定了 worker(child) 能执行哪些操作/业务（handler）//注意这里只是添加了handler，并没有执行，initChannel()只有在连接建立后才会执行.childHandler(// 5. channel 代表和客户端进行数据读写的通道，Initializer 初始化，负责添加别的 handlernew ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {//连接建立后，调用该初始化方法（initChannel()）//当客户端连接后(触发了accept事件)，运行initChannel()内代码@Overrideprotected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {// 添加具体 handlerch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); // 负责解码的ChannelHandler，将ByteBuf转换为字符串ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() { // 自定义 handler@Override // 读事件public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx,Object msg) throws Exception {System.out.println(msg); // 打印上一步(new StringDecoder())转换好的字符串}});}})// 6. 绑定监听端口.bind(8080);}
}

2.3 客户端

new Bootstrap().group(new NioEventLoopGroup()) // 1.channel(NioSocketChannel.class) // 2.handler(new ChannelInitializer<Channel>() { // 3@Overrideprotected void initChannel(Channel ch) {ch.pipeline().addLast(new StringEncoder()); // 8}}).connect("127.0.0.1", 8080) // 4.sync() // 5.channel() // 6.writeAndFlush(new Date() + ": hello world!"); // 7

代码解读

• 1 处，创建 NioEventLoopGroup，同 Server
• 2 处，选择客户 Socket 实现类，NioSocketChannel 表示基于 NIO 的客户端实现，其它实现还有
  
• 3 处，添加 SocketChannel 的处理器，ChannelInitializer 处理器（仅执行一次），它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后，执行 initChannel 以便添加更多的处理器
• 4 处，指定要连接的服务器和端口
• 5 处，Netty 中很多方法都是异步的，如 connect，这时需要使用 sync 方法等待 connect 建立连接完毕
• 6 处，获取 channel 对象，它即为通道抽象，可以进行数据读写操作
• 7 处，写入消息并清空缓冲区
• 8 处，消息会经过通道 handler 处理，这里是将 String => ByteBuf 发出
• 数据经过网络传输，到达服务器端，服务器端 5 和 6 处的 handler 先后被触发，走完一个流程

public class HelloClient {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 1. 启动类，启动客户端new Bootstrap()// 2. 添加 EventLoop.group(new NioEventLoopGroup())//如果服务器端发来数据，客户端的EventLoop就可以从selector触发读事件进行处理// 3. 选择客户端 channel 实现，底层封装了SocketChannel.channel(NioSocketChannel.class)// 4. 添加处理器.handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {@Override // 在连接建立后被调用protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());//编码器，将字符串编码成ByteBuf进行发送}})// 5. 连接到服务器.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)).sync()//sync()是一个阻塞方法，只有连接建立后才会继续执行.channel()//.channel()表示拿到服务器和客户端之间的SocketChannel(连接对象)// 6. 向服务器发送数据.writeAndFlush("hello, world");}
}

2.4 流程梳理

凡是收发数据都要走handler
客户端和服务器在连接建立后调用初始化方法(initChannel()方法)，调用完初始化方法会将处理器(Handler)加载好，下次发送数据时直接使用处理器。

💡 提示

一开始需要树立正确的观念
把 channel 理解为数据的通道

把 msg 理解为流动的数据，最开始输入是 ByteBuf，但经过 pipeline 的加工，会变成其它类型对象，最后输出又变成 ByteBuf

把 handler 理解为数据的处理工序

• 工序有多道，合在一起就是 pipeline，pipeline 负责发布事件（读、读取完成…）传播给每个 handler， handler 对自己感兴趣的事件进行处理（重写了相应事件处理方法）
• handler 分 Inbound 和 Outbound 两类

把 eventLoop 理解为处理数据的工人

• 工人可以管理多个 channel 的 io 操作，并且一旦工人负责了某个 channel，就要负责到底（eventLoop绑定channel）
• 工人既可以执行 io 操作，也可以进行任务处理，每位工人有任务队列，队列里可以堆放多个 channel 的待处理任务，任务分为普通任务、定时任务(eventLoop底层使用了线程池，只不过是单线程的线程池)
• 工人按照 pipeline 顺序，依次按照 handler 的规划（代码）处理数据，可以为每道工序指定不同的工人

可以理解为Handler就是一道道工序，对接受的原式数据进行加工处理
EventLoop内部是有一个selector，EventLoop通过多路复用可以管理多个channel的IO操作。

---