基于netty框架的Socket传输

一、Netty框架介绍

什么是netty？先看下百度百科的解释：

        Netty是由JBOSS提供的一个java开源框架。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。

也就是说，Netty 是一个基于NIO的客户、服务器端编程框架，使用Netty 可以确保你快速和简单的开发出一个网络应用，例如实现了某种协议的客户，服务端应用。Netty相当简化和流线化了网络应用的编程开发过程，例如，TCP和UDP的socket服务开发。

       “快速”和“简单”并不用产生维护性或性能上的问题。Netty 是一个吸收了多种协议的实现经验，这些协议包括FTP,SMTP,HTTP，各种二进制，文本协议，并经过相当精心设计的项目，最终，Netty 成功的找到了一种方式，在保证易于开发的同时还保证了其应用的性能，稳定性和伸缩性

为什么好多大公司都在使用netty框架？主要是基于netty框架的以下几个特点决定的：

1）健壮性，2）功能齐全，3）可定制，4）扩展性

二、框架优点

       传统的RPC性能差，主要是由于客户端和远程调用采用了同步阻塞IO线程，当客户端的并发压力增大后，同步阻塞会由于频繁的等待导致I/O线程堵塞，线程无法高效的工作，IO处理能力自然会降低。影响性能的三个因素：第一，IO模型，IO模型在一定程度上决定了框架的性能。第二、协议，如：HTTP、TCP/IP等，协议选择的不同，性能模型也不同，通常情况下，内部私有协议的性能比较优，这是由于内部设计决定的。第三、线程，数据报文的接收、读取、编码、解码等，线程模型的不同，性能也不同。相比于传统的RPC框架，netty的优点主要体现在以下几个方面：

1. API使用简单，封装非常完善，开发门槛低
2. 功能上强大，预置了多种编码解码功能，多种协议支持
3. 定制能力强，可以对ChannelHandler对通信框架灵活扩展
4. 性能高，Reactor线程模型调度，ChannelFuture－Listener，通过Listener机制主动推送结果
5. 版本成熟稳定，社区活跃，版本更新快，出现的Bug会被很快的修复，同时，有心功能的加入，经历了大规模的商业应用考验，质量的到了充分的验证。已经广泛应用到互联网、大数据、企业应用、电信软件、网络游戏等热门行业，他可以满足不同的商业标准。

三、Netty架构分析

         Netty是一个基于三层网络架构模型的框架，三层网络架构分析包括调度层、链条传递层以及业务逻辑层。

1. Reactor通信调度层，是一个模型，

NIO线程池组件{

        监听网络读写连接

        业务调度处理

NIO，AIO，配合NIO通道NioSocketChannel组件

}

        Netty通过内部select巡查机制，能够实现IO多路复用，通过把多个IO阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而能够使系统即使在单线程的情况下，也能够同时处理多个请求。这样就使得netty实现了IO多路复用的优势，与传统多线程相比，大大减少了系统的开销，因为系统不必创建新的线程和销毁线程了，减少了系统的维护难度，节省了资源。

ByteBuffer池化支持，不用手动切换标志位，实现零拷贝。传统的Socket读写，基本是使用堆内存进行，即jvm事先会把堆内存拷贝到内存中，然后再写入Socket，而netty采用的是DIRECT BUFFERS，不需要经过jvm内存拷贝，在堆外内存直接进行Socket读写，这样就少了一次缓冲区的内存拷贝，从而实现零拷贝。

       2.Pipleline职责链条传递

       拦截处理向前向后事件，外部传入的消息包对象，有POJO信息抽象，上层也只需要处理逻辑，类似SpringIOC处理BeanDefince。不同的Handler节点的功能也不同，通常情况下需要编码解码等，它可以完成外部协议到内部POJO对象的转化，这样上层只需要关注业务逻辑，不需要知道底层的协议和线程模型，从而实现解耦。

      3.构建逻辑业务处理单元

       底层的协议隔离，上层处理逻辑框架并不需要关心底层协议是什么。Netty框架的分层设计使得开发人员不需要关注协议框架的实现，只需要关注服务层的业务逻辑开发即可，实现了简单化。

       之前有个项目是基于传统Socket和线程池的技术实现的，但是在高并发的时候发现并发能力不足，压测的时候发现TPS达不到理想值，所以经过考虑，决定使用netty框架来解决此问题。同样，netty框架也分为客户端和服务端，经过整理，先写一个demo初探netty框架，下面是代码的实现过程。

首先是服务端，服务端包含两个方面，第一、服务端Server的主要作用就是通过辅助引导程序，设置NIO的连接方式处理客户端请求，通过绑定特定端口、设定解码方式以及监听来实现整个线程的处理请求；第二、服务端Handler需要继承ChannelInboundHandlerAdapter类，handler类的主要作用是读取客户端数据，处理业务，抛出异常，响应客户端请求。代码如下：

服务端Server：

public class Server {

private static Log logger = LogFactory.getLog(Server.class);

private int port;

public Server(int port) {

        super();

        this.port = port;

}

public  void start(){

        ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();//引导辅助程序

        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();//通过nio方式来接收连接和处理请求

        try {

               b.group(group);

               b.channel(NioServerSocketChannel.class);//设置nio类型的channnel

               b.localAddress(new InetSocketAddress(port));//设置监听端口

               //b.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 2048);

               b.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//有连接到达时会创建一个channel

                      @Override

                      protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {

                             //注册handler

                             ch.pipeline().addLast(new ByteArrayDecoder());

                             ch.pipeline().addLast(new ByteArrayEncoder());

                             ch.pipeline().addLast(new StringEncoder(Charset.forName("UTF-8")));

                             ch.pipeline().addLast(new ServerHandler());

                            

                      }

               });//.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 2048).childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

               ChannelFuture f = b.bind().sync();//配置完成,开始绑定server,通过调用sync同步方法阻塞直到绑定成功

               logger.info(Server.class.getName()+"开始监听："+f.channel().localAddress());

               f.channel().closeFuture().sync();//应用程序会一直等待直到channel关闭

        } catch (Exception e) {

               e.printStackTrace();

        } finally {

               try {

                      //关闭EventLoopGroup,释放掉所有资源包括创建的线程

                      group.shutdownGracefully().sync();

               } catch (InterruptedException e) {

                      e.printStackTrace();

               }

        }

}

}

服务端Handler 

public class ServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

private static Log logger=LogFactory.getLog(ServerHandler.class);

@Override

public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx){

        logger.info(ctx.channel().localAddress().toString()+"通道活跃....");

}

@Override

public void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        logger.error(ctx.channel().localAddress().toString()+"通道不活跃....");

}

/**

 *

 * 读取客户端传过来的消息

 */

@Override

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {

        //业务处理类

        logger.info("开始业务处理....");

        new SocketController(ctx,msg).run();

}

@Override

public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {

        //出现异常，关闭连

        logger.error("服务端出现异常："+cause.getMessage(),cause);

        ctx.close();

}

@Override

public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {

        logger.info("服务端完成请求!");

        ctx.flush();

}

}

客户端代码

    客户端主要是用来向服务端发送数据，同样包含两个方面，第一、Client主要通过设定端口和IP和服务器建立连接，进行数据包的编码；第二、ClientHandler 需要继承 SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf>类，针对不同的传输方式，继承不同的类，handler类同样处理业务请求，响应服务端的请求。代码如下：

客户端Client：

public class Client {
    private static Log logger=LogFactory.getLog(Client.class);
    private String host;
    private int port;
    public Client(String host, int port) {
        super();
        this.host = host;
        this.port = port;
    }
    public void connect(){
        EventLoopGroup workGroup=new NioEventLoopGroup();
        Bootstrap bootstrap=new Bootstrap();
        bootstrap.group(workGroup);
        bootstrap.channel(NioSocketChannel.class);
        bootstrap.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
        bootstrap.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                logger.info("客户端触发连接......");
                ch.pipeline().addLast(new StringEncoder(Charset.forName("UTF-8")));
                ch.pipeline().addLast(new ClientHandler());
            }
        });
        //客户端开始连接
        try {
            logger.info("连接到服务器......");
            ChannelFuture future=bootstrap.connect(host,port).sync();
            //等待连接关闭
            future.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }finally{
            workGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
}

客户端Handler：

public class ClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {
    private static Log logger=LogFactory.getLog(ClientHandler.class);
    /**
     * 向服务端发送消息
     */
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        logger.info(ctx.channel().localAddress().toString()+"客户点活跃...");
        //向服务端写字符串
        logger.info("客户端连接服务端,开始发送数据.....");
        String string ="hello server！";
        System.out.println("发送数据为："+string);
        ByteBuf buf=ctx.alloc().buffer(4*string.length());
        buf.writeBytes(string.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(buf);
        logger.info("发送完毕...");
    }
    
    /**
     * 读取服务端返回来的消息
     */
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext arg0, ByteBuf in) throws Exception {
        logger.info("开始接受服务端数据");
        byte[] b=new byte[in.readableBytes()];
        in.readBytes(b);
        String string=new String(b);
        logger.info("服务端发送的数据为："+string);
        in.release();
    }
    
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        logger.info("客户端异常："+cause.getMessage(),cause);
    }
    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        logger.info("客户端完成请求....");
        ctx.flush();    
    }
}

服务端启动：

public class ServerMain {

private static Log logger=LogFactory.getLog(ServerMain.class);

private static Server server =new Server(55550);

public static void main(String[] args) {

        logger.info("服务端启动.......");

        server.start();

}

}

 

客户端启动类：

public class Test {

private static Client client = new Client("127.0.0.1", 55550);

public static void main(String[] args) throws UnknownHostException, IOException {

        client.connect();

}

}

测试结果：

服务端：

 

客户端：

总结：

       以上只是一个netty框架初探的小Demo，学习使用netty框架的开始，这里面涉及到了很多的技术以及非常多的组件，比如：Channels、Callbacks、Futures、Events和handlers等等，需要进一步的学习，另外，消息的编码解码、粘包、拆包的方式方法、消息格式的转换以及报文格式大小限制都需要进一步的研究学习。