使用Netty实现Socket网络编程

Netty初步讲解和认识

网络通信模型

Netty支持多种网络通信模型，包括传统的阻塞I/O、非阻塞I/O、多路复用I/O和异步I/O。其中，非阻塞I/O和多路复用I/O是Netty的核心特性。

非阻塞I/O：Netty通过使用Java的NIO（New I/O）库，实现了非阻塞的I/O操作。这意味着当一个操作正在进行时，不会阻塞线程，线程可以继续处理其他任务。这种模型非常适合高并发的网络应用程序，可以提供更高的吞吐量和并发性能。
多路复用I/O：Netty使用了Reactor模式，通过一个线程池处理多个I/O事件，提高了系统的资源利用率。Netty的多路复用I/O模型可以同时处理成千上万个连接，而每个连接只需使用一个线程，极大地减少了线程的创建和上下文切换开销。

事件处理

Netty使用了事件驱动的编程模型来处理网络操作。它提供了一系列的事件和处理器，开发者可以根据自己的需求自定义处理逻辑。

事件：Netty的核心是事件，它代表了网络操作中的各种状态和动作，如连接建立、数据接收、数据发送等。Netty提供了多种类型的事件，每个事件都有对应的处理器进行处理。
处理器：处理器是用于处理特定类型事件的组件，它包含了业务逻辑的实现。开发者可以通过编写自定义的处理器来实现特定的功能。处理器可以被链接成处理器链，形成一个处理事件的流水线。

通过使用事件和处理器，开发者可以实现复杂的网络应用程序，例如实现自定义的协议、数据解析、安全认证等。

协议设计

Netty提供了灵活的协议设计和实现能力，使开发者可以轻松构建自己的网络协议。

编解码器：Netty提供了一系列的编解码器，用于将字节数据和Java对象相互转换。这些编解码器可以用于构建自定义协议，实现数据的序列化和反序列化。
自定义协议：通过使用Netty的事件和处理器机制，开发者可以自定义网络协议。可以根据自己的需求定义协议的消息格式、数据传输方式、错误处理等。

性能优化

Netty提供了许多性能优化的功能和技术，以提高网络应用程序的性能和可扩展性。

零拷贝：Netty使用了零拷贝技术，避免了数据在内存之间的复制操作，减少了CPU和内存的开销。这对于处理大量数据的高性能应用程序尤为重要。
内存管理：Netty提供了高效的内存管理机制，可以有效地管理内存的分配和释放。它使用了内存池和内存复用的技术，减少了内存的分配和回收频率，提高了性能。
高性能传输：Netty支持多种高性能传输协议，如TCP、UDP和Unix域套接字。开发者可以根据自己的需求选择合适的传输协议，以获得最佳的性能。

在本篇博客中，我们将学习如何使用Netty框架实现基于Socket的异步通信。Netty是一个高性能、异步事件驱动的网络应用程序框架，它简化了网络编程的复杂性，并提供了可靠的、高效的数据传输。

使用Netty实现Socket网络编程

环境准备

在开始之前，确保您已经安装了Java和Maven。然后，按照以下步骤进行操作：

创建一个Maven项目，并在pom.xml中添加以下依赖项：

xml 复制代码

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>io.netty</groupId>
        <artifactId>netty-all</artifactId>
        <version>4.1.78.Final</version>
    </dependency>
</dependencies>

在src/main/java目录下创建以下两个Java类：Server.java和Client.java。

服务端代码

在Server.java中，我们将创建一个服务端，并监听指定的端口。当客户端连接到服务器时，我们将打印出连接成功的消息，并向客户端发送一条欢迎消息。

java 复制代码

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

public class Server {
    private int port;

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        // 这里可以流水线式加载各种Handler,以实现预期的功能
                            ch.pipeline().addLast(new ServerHandler());
                        }
                    });

            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            System.out.println("Server started on port " + port);
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        new Server(port).start();
    }
}

在上述代码中，我们创建了两个EventLoopGroup：bossGroup和workerGroup。bossGroup负责接受客户端的连接，而workerGroup负责处理客户端的请求。

我们使用ServerBootstrap配置和启动服务器。在childHandler方法中，我们初始化通道的处理器链，并添加了一个名为ServerHandler的处理器。

通过bind方法绑定服务器端口，并通过sync方法等待服务器启动完成。

客户端代码

在Client.java中，我们将创建一个客户端，并连接到指定的服务器。一旦连接成功，我们将向服务器发送一条消息，并打印出服务器返回的响应消息。

java 复制代码

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

public class Client {
    private String host;
    private int port;

    public Client(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
    }

    public void start() throws Exception {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group)
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            ch.pipeline().addLast(new ClientHandler());
                        }
                   });
    
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
            System.out.println("Connected to server: " + host + ":" + port);
    
            // 发送消息给服务器
            String message = "Hello, server!";
            f.channel().writeAndFlush(message);
    
            // 等待直到连接关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String host = "localhost";
        int port = 8080;
        new Client(host, port).start();
    }
}

在上述代码中，我们创建了一个EventLoopGroup，并使用Bootstrap配置和启动客户端。在handler方法中，我们初始化通道的处理器链，并添加了一个名为ClientHandler的处理器。

通过connect方法连接到服务器，并通过sync方法等待连接完成。

在连接建立后，我们向服务器发送一条消息，并使用writeAndFlush方法将其发送给服务器。

最后，我们通过调用closeFuture方法等待连接关闭。

服务端处理器

在ServerHandler.java中，我们编写一个处理器，用于处理从客户端接收到的消息并发送响应消息。

java 复制代码

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;

public class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        // 读取客户端发送的消息
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        String message = buf.toString();
        System.out.println("Received message from client: " + message);

        // 发送响应消息给客户端
        String response = "Hello, client!";
        ByteBuf responseBuf = ctx.alloc().buffer(response.length());
        responseBuf.writeBytes(response.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(responseBuf);
    }

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

在上述代码中，我们重写了channelRead方法，用于读取客户端发送的消息。我们将接收到的消息转换为字符串，并打印出来。

然后，我们准备发送响应消息给客户端。首先，我们创建一个ByteBuf来存储响应消息的字节数据。然后，将字符串转换为字节数组，并将其写入ByteBuf中。

最后，我们使用ctx.writeAndFlush方法将响应消息发送给客户端。

客户端处理器

在ClientHandler.java中，我们编写一个处理器，用于处理从服务器接收到的响应消息。

java 复制代码

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;

public class ClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        // 读取服务器发送的响应消息
        ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
        String response = buf.toString();
        System.out.println("Received response from server: " + response);

        // 关闭连接
        ctx.close();
    }

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

在上述代码中，我们重写了channelRead方法，用于读取服务器发送的响应消息。我们将接收到的消息转换为字符串，并打印出来。

然后，我们调用ctx.close方法关闭与服务器的连接。

运行应用程序

现在，我们已经完成了Netty的Socket网络编程示例。在终端中，分别运行Server和Client的main方法，您将看到服务器和客户端之间的通信。

这就是使用Netty实现Socket网络编程的基本过程。通过使用Netty，我们可以轻松地构建高性能的、可靠的网络应用程序。

Netty实现静态页面的网络请求基础流程:

java 复制代码

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;

public class Server {
    private int port;

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        // 这里可以流水线式加载各种Handler,以实现预期的功能
                            ch.pipeline().{添加后续的Http处理器(见下文)}
                        }
                    });

            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            System.out.println("Server started on port " + port);
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8080;
        new Server(port).start();
    }
}

如在这里添加一个对于页面的解决方案,创建一个新的类封装;

java 复制代码

import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpResponse;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus;
import io.netty.handler.codec.http.HttpVersion;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

public class PageResolver {
		//直接单例模式
    private static final PageResolver INSTANCE = new PageResolver();
    private PageResolver(){}
    public static PageResolver getInstance(){
        return INSTANCE;
    }

  	//请求路径给进来，接着我们需要将页面拿到，然后转换成响应数据包发回去
    public FullHttpResponse resolveResource(String path){
        if(path.startsWith("/"))  {  //判断一下是不是正常的路径请求
            path = path.equals("/") ? "index.html" : path.substring(1);    //如果是直接请求根路径，那就默认返回index页面，否则就该返回什么路径的文件就返回什么
            try(InputStream stream = this.getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(path)) {
                if(stream != null) {   //拿到文件输入流之后，才可以返回页面
                    byte[] bytes = new byte[stream.available()];
                    stream.read(bytes);
                    return this.packet(HttpResponseStatus.OK, bytes);  //数据先读出来，然后交给下面的方法打包
                }
            } catch (IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
      	//其他情况一律返回404
        return this.packet(HttpResponseStatus.NOT_FOUND, "404 Not Found!".getBytes());
    }

  	//包装成FullHttpResponse，把状态码和数据写进去
    private FullHttpResponse packet(HttpResponseStatus status, byte[] data){
        FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, status);
        response.content().writeBytes(data);
        return response;
    }
}

然后把流水线中加入这个Http的解码器和译码器,以及一个ChannelInboundHandlerAdapter,处理解析到的数据;

java 复制代码

ch.pipeline()
        .addLast(new HttpRequestDecoder())   //Http请求解码器
        .addLast(new HttpObjectAggregator(Integer.MAX_VALUE))  //搞一个聚合器，将内容聚合为一个FullHttpRequest，参数是最大内容长度
        .addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter(){
            @Override
            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                FullHttpRequest request = (FullHttpRequest) msg;
              	//请求进来了直接走解析
                PageResolver resolver = PageResolver.getInstance();
                ctx.channel().writeAndFlush(resolver.resolveResource(request.uri()));
                ctx.channel().close();
            }
        })
        .addLast(new HttpResponseEncoder());

可以在添加一个自定义组件例如:

java 复制代码

import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;

import java.util.Objects;

public class ShutdownHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    public EventLoopGroup bootstrap;
    public EventLoopGroup workstrap;

    public ShutdownHandler(EventLoopGroup bootstrap,EventLoopGroup workstrap){
        this.bootstrap = bootstrap;
        this.workstrap = workstrap;
    }
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        FullHttpRequest request = (FullHttpRequest) msg;
        String uri = request.uri();
        // 关闭服务
        if(Objects.equals(uri, "/shutdown")){
            ctx.channel().close();
            bootstrap.shutdownGracefully();
            workstrap.shutdownGracefully();
        }else{
            // 继续向下传递消息
            ctx.fireChannelRead(msg);
        }
    }
}

Server的总代码:

java 复制代码

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.http.FullHttpRequest;
import io.netty.handler.codec.http.HttpObjectAggregator;
import io.netty.handler.codec.http.HttpRequestDecoder;
import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseEncoder;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import org.example.handler.PageResolver;
import org.example.handler.ShutdownHandler;

public class Server {
    private final int port;

    public Server(int port) {
        this.port = port;
    }

    public void start() throws Exception {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            // 这里可以流水线式加载各种Handler,以实现预期的功能
                            ch.pipeline()
                                    .addLast(new HttpRequestDecoder())   //Http请求解码器
                                    .addLast(new HttpObjectAggregator(Integer.MAX_VALUE))  //搞一个聚合器，将内容聚合为一个FullHttpRequest，参数是最大内容长度
                                    .addLast(new ShutdownHandler(bossGroup, workerGroup))
                                    .addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                                        @Override
                                        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                            FullHttpRequest request = (FullHttpRequest) msg;
                                            //请求进来了直接走解析
                                            PageResolver resolver = PageResolver.getInstance();
                                            ctx.channel().writeAndFlush(resolver.resolveResource(request.uri()));
                                            ctx.channel().close();
                                        }
                                    })
                                    .addLast(new HttpResponseEncoder());
                        }
                    });

            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            System.out.println("Server started on port " + port);
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int port = 8081;
        new Server(port).start();
    }
}

最后启动服务器,就可以访问到resource中的静态页面资源了。