聊聊分布式架构06——[NIO入门]简单的Netty NIO示例

目录

[Java NIO和Netty NIO比较](#Java NIO和Netty NIO比较)

[Java NIO:](#Java NIO:)

Netty:

[Netty NIO中的主要模块](#Netty NIO中的主要模块)

Transport(传输层)

Buffer(缓冲区)

Codec(编解码器)

Handler(处理器)

EventLoop(事件循环)

Bootstrap和Channel(引导和通道)

Future和Promise(异步编程)

Netty示例

服务端时序图

服务端代码

客户端时序图

客户端代码

总结


Java NIO和Netty NIO比较

Java NIO:
  1. 原生Java库: Java NIO是Java标准库的一部分,提供了非阻塞I/O的核心功能。它是Java平台上的底层API,允许开发者直接操作通道、缓冲区和选择器等组件。

  2. 较低级别: Java NIO是相对较低级别的API,需要开发者编写更多的底层代码来处理网络通信和协议。这可以提供更多的控制权,但也增加了开发复杂性。

  3. 多路复用: Java NIO通过选择器(Selector)实现多路复用,允许一个线程管理多个通道。这对于处理大量并发连接非常有用。

  4. 手动管理缓冲区: Java NIO需要开发者手动管理缓冲区,包括分配、读取、写入和释放缓冲区。这可能导致更复杂的代码结构。

  5. 适用场景: Java NIO适用于需要高度自定义的网络协议网络服务器。它在性能和灵活性方面提供了更多的控制权。

Netty:
  1. 高级别框架: Netty是一个基于Java NIO的高级别框架,它封装了底层的NIO细节,提供了更简单和强大的API来处理网络通信。

  2. 事件驱动: Netty是事件驱动的框架,使用事件处理器(Event Handlers)来处理入站和出站事件。这使得编写网络应用程序更加模块化和可维护。

  3. 自动管理缓冲区: Netty自动管理缓冲区,无需开发者手动分配和释放缓冲区。这减轻了内存管理的负担。

  4. 丰富的功能: Netty提供了丰富的功能,包括HTTP、WebSocket、TLS/SSL支持、UDP通信、拆包和粘包处理等。它还支持异步和同步I/O操作。

  5. 社区和生态系统: Netty拥有强大的社区支持和丰富的生态系统,有大量的扩展和插件可用。这使得开发人员可以更快地构建复杂的网络应用。

  6. 适用场景: Netty适用于构建高性能、可扩展、可维护的网络应用程序,特别是在处理协议复杂、并发连接众多的情况下。

为什么选择Netty?

Java NIO Netty NIO
API和类库 繁杂麻烦,需掌握Selector、Channel、Buffer等 封装简单,门槛低
扩展实现 需要熟悉多线程和网络编程保证代码质量 通过ChannelHandler对框架灵活扩展
可靠性 可靠性能力需手动补齐,工作量和难度大 预编码、多协议,功能强,性能高
Bug Fixed 臭名昭著的epoll bug(selector空轮询,CPU到100%)1.6版本说修复,1.7版本还在,只是调低了触发率 稳定,成熟,修复了所有已发现的Java NIO Bug
社区生态 / 社区活跃,迭代周期短
生存迭代 / 经历大规模商业应用考验,质量得到验证

基础篇我们使用Java NIO举例演示了简单的RPC通信。代码的行数和步骤确实挺繁琐,不如来看看Netty 的操作,是骡子是马牵出来溜溜先,就当诸君饭后消个食。

Netty NIO中的主要模块

Netty是一个强大的网络编程框架,它由多个主要模块组成,每个模块负责不同的功能。以下是Netty中的一些主要模块:

Transport(传输层)
  • NIO: 这个模块实现了基于Java NIO的传输层,提供了非阻塞的网络通信功能。它包括NioEventLoopGroupNioServerSocketChannelNioSocketChannel等类,用于创建和管理NIO通道。
Buffer(缓冲区)
  • Java NIO中的ByteBuffer局限性:

    • ByteBuffer长度固定,不能动态伸缩和扩展,编码对象时容易引起索引越界异常

    • ByteBuffer只有一个标识位置的指针position,需要手工调用flip()和rewind(),不方便

    • ByteBuffer的API功能有限,需要使用者自己编程实现一些高级和实用的特性

  • 为了弥补这些不足,Netty NIO提供了自己的实现------ByteBuf:

    Netty提供了高性能的缓冲区实现ByteBuf,用于处理数据的读取和写入。ByteBuf提供了直接和间接缓冲区,并支持池化,以减少内存分配和回收的开销。

Codec(编解码器)
  • 编码器和解码器: 这个模块包括一系列编解码器,用于将数据序列化和反序列化为字节,以便在网络中传输。Netty提供了JSON、Protobuf、HTTP、WebSocket等多种编解码器。
Handler(处理器)
  • ChannelHandler: ChannelHandler是Netty中的核心概念,用于处理事件和数据。它可以自定义,用于构建处理链。Netty提供了各种内置的ChannelHandler,如SimpleChannelInboundHandlerChannelDuplexHandler等。
EventLoop(事件循环)
  • EventLoopGroup: 这个模块包括了EventLoopGroupEventLoop,用于实现事件循环机制。EventLoopGroup管理一组EventLoop,每个EventLoop负责处理一组通道上的事件。事件循环是Netty实现异步和事件驱动的关键。
Bootstrap和Channel(引导和通道)
  • ServerBootstrap和Bootstrap: 这两个类用于引导Netty应用程序的启动。ServerBootstrap用于启动服务器端,而Bootstrap用于启动客户端。

  • Channel和ChannelPipeline: Channel表示通道,它代表了一个网络连接。在Channel接口层,采用Fade模式进行统一封装。ChannelPipeline是处理链,包含一系列ChannelHandler,用于处理事件和数据。

Future和Promise(异步编程)
  • Future: Netty使用Future来表示异步操作的结果,允许开发者异步地等待操作完成。

  • Promise: PromiseFuture的扩展,允许开发者设置操作的结果,使得异步编程更加方便。

Netty示例

服务端时序图
服务端代码
复制代码
/**
 * Netty Server
 * 开始:需要绑定端口用于启动
 * 1.创建线程组bossGroup用于处理客户端连接
 * 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写
 * 3.创建Bootstrap服务启动辅助类,类似serverSocketChannel
 * 4.链式编程,构造线程组、serverChannel、options、channelHandle
 * 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer<SocketChannel>进行功能扩展
 * 结束:优雅退出关闭资源
 */
public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        new Server().bind(8088);
    }
​
    /**
     * 绑定端口用于启动
     * @param port 服务端口
     */
    public void bind(int port) {
        // 1.创建线程组bossGroup处理客户端连接
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        // 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 3.创建Bootstrap服务启动辅助类,类似serverSocketChannel
            ServerBootstrap server = new ServerBootstrap();
            // 4.链式编程,构造线程组、serverChannel、options、channelHandle
            server.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                    .childHandler(new ChildChannelHandler());
            System.out.println("server start on port:" + port);
​
            // 绑定端口异步调用连接客户端,同步阻塞等待(连接结果)连接成功
            ChannelFuture channelFuture = server.bind(port).sync();
​
            // 异步调用close关闭链路,同步阻塞等待(关闭结果)关闭成功后退出main函数
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 优雅退出关闭资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
​
    /**
     * 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer<SocketChannel>进行功能扩展
     */
    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
​
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
            socketChannel.pipeline().addLast(new ServerHandler());
        }
    }
​
    private class ServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; // 读取缓冲区可读取长度
            buf.readBytes(req);
            String body = new String(req, "UTF-8");
            System.out.println("Server receive msg:" + body);
            String currTime = "query time".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "error code";
            ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currTime.getBytes());
            ctx.write(resp);
        }
​
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
            ctx.close();
        }
​
        @Override
        public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            ctx.flush(); // 将发送缓冲数组中的消息通过flush()写入socketChannel发送,避免了频繁调用selector进行发送
        }
    }
}
客户端时序图
客户端代码
复制代码
/**
 * 开始:连接服务端ip:port
 * 1.创建EventLoopGroup管理socket读取
 * 2.创建客户端辅助类Bootstrap,类似于之前的SocketChannel
 * 3.链式编程,构造客户端流程client、option、handler
 * 4.handler使用的是ChannelInitializer<SocketChannel>
 * 结束:优雅的关闭资源
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        new Client().connect("localhost", 8088);
    }
​
    /**
     * 连接服务端ip:port
     * @param ip 服务端地址
     * @param port 服务端端口
     */
    public void connect(String ip, int port) {
        // 1.创建EventLoopGroup管理socket读取
        EventLoopGroup group =new NioEventLoopGroup();
        try {
            // 2.创建客户端辅助类Bootstrap,类似于之前的SocketChannel
            Bootstrap client = new Bootstrap();
            // 3.链式编程,构造客户端流程client、option、handler
            client.group(group).channel(NioSocketChannel.class)
                    .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                            socketChannel.pipeline().addLast(new ClientHandler());
                        }
                    });
​
            // 发起异步连接操作
            ChannelFuture channelFuture = client.connect(ip, port).sync();
​
            // 等待服务端链路关闭
            channelFuture.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 优雅退出,释放资源
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
​
    /**
     * 4.handler使用的是ChannelInitializer<SocketChannel>
     */
    public class ClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
            buf.readBytes(req);
            String body = new String(req, "UTF-8");
            System.out.println("client receive server send:" + body);
            channelActive(ctx);
        }
​
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("请输入");
            String clientIn = scanner.nextLine();
            ByteBuf firstMessage = Unpooled.buffer(clientIn.getBytes().length);
            firstMessage.writeBytes(clientIn.getBytes());
            System.out.println("client send:" + clientIn);
            ctx.writeAndFlush(firstMessage);
        }
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
            ctx.close();
        }
    }
}

运行结果:

总结

不难看出,不管是流程步骤还是实现功能的代码行数,Netty NIO都是优于Java原生NIO的。到此,一个简单的NIO入门示例完成。

资料参考:《Netty权威指南》

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