深入理解 Netty-解码器架构与常用解码器

任何数据类型想在网络中进行传输,都得经过编解码转换成字节流

在netty中,服务端和客户端进行通信的其实是下面这样的

程序 ---编码--> 网络

网络 ---解码--> 程序

对应服务端:

• 入站数据, 经过解码器解码后给后续的handler使用
• 出站数据, 经过编码器编码成字节流给在网络上传播

在netty中的编码器其实就是一个handler,回想一下,无论是编写服务端的代码,还是客户端的代码,总会通过一个channelIniteializer往pipeline中动态的添加多个处理器,在添加我们自定义的处理器之前,往往会添加编解码器,其实说白了,编解码器其实就是特定功能的handler

我们这样做是有目的的,因为第一步就得需要把字节流转换成我们后续的handler中能处理的常见的数据类型

Netty中的编解码器太多了,下面就用常用的ByteToMessageDecoder介绍他的体系

编码器的模板基类ByteToMessageDecoder

ByteToMessageDecoder继承了ChannelInboundHandlerAdapter 说明它是处理入站方向数据的编码器,而且它也因此是一个不折不扣的Handler,再回想,其实In开头的handler都是基于事件驱动的,被动的处理器,当客户端发生某种事件时,它对应有不同的动作回调,而且它的特色就是 fireXXX往下传递事件, 待会我们就能看到,netty用它把处理好的数据往下传递

架构概述

ByteToMessageDecoder本身是一个抽象类,但是它只有一个抽象方法 decode()

netty中的解码器的工作流程如下:

• 累加字节流
• 调用子类的decode()方法进行解码
• 将解析完成的ByteBuf往后传递

既然是入栈处理器,有了新的数据,channelRead()就会被回调,我们去看一下它的channelRead()

下面是它的源码,

@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if (msg instanceof ByteBuf) { // todo 在这里判断， 是否是 ByteBuf类型的，如果是，进行解码，不是的话，简单的往下传播下去
    CodecOutputList out = CodecOutputList.newInstance();
    try {
        ByteBuf data = (ByteBuf) msg;
        // todo 进入查看 cumulation是类型  累加器，其实就是往 ByteBuf中 write数据，并且，当ByteBuf 内存不够时进行扩容
        first = cumulation == null; // todo 如果为空， 则说明这是第一次进来的数据， 从没累加过
        if (first) {
            cumulation = data;  // todo 如果是第一次进来，直接用他将累加器初始化
        } else {
            cumulation = cumulator.cumulate(ctx.alloc(), cumulation, data); // todo 非第一次进来，就进行累加
        }
        // todo ， 这是第二部， 调用子类的decode()进行解析
        callDecode(ctx, cumulation, out);
    } catch (DecoderException e) {
        throw e;
    } catch (Throwable t) {
        throw new DecoderException(t);
    } finally {
        if (cumulation != null && !cumulation.isReadable()) {
            numReads = 0;
            cumulation.release();
            cumulation = null;
        } else if (++ numReads >= discardAfterReads) {
            // We did enough reads already try to discard some bytes so we not risk to see a OOME.
            // See https://github.com/netty/netty/issues/4275
            numReads = 0;
            discardSomeReadBytes();
        }

        int size = out.size();
        decodeWasNull = !out.insertSinceRecycled();
        // todo 调用 fireChannelRead,向后船舶channelRead事件, 前面的学习也知道,  她会从当前节点,挨个回调pipeline中处理器的CHannelRead方法
        fireChannelRead(ctx, out, size);
        out.recycle();
    }
} else {
    ctx.fireChannelRead(msg);
}

其实三步工作流程就在上面的代码中

• 累加字节流 cumulation = cumulator.cumulate(ctx.alloc(), cumulation, data);
• 调用子类的decode()进行解析 callDecode(ctx, cumulation, out);
• 将解析完成的ByteBuf往后传递 fireChannelRead(ctx, out, size);

它的设计很清晰, 由ByteToMessageDecoder完成整个编码器的模板,规定好具体的处理流程,首先它负责字节流的累加工作,但是具体如何进行解码,由不同的子类去实现,因此它设及成了唯一的抽象方法,在他的模板中,子类将数据解码完成后,它再将数据传播下去

什么是累加器cumulation?

源码如下:我们可以看到,其实他就是一个辅助对象, 里面维护了一个 ByteBuf的引用

• 所谓累加,就是往ByteBuf中write数据
• 所谓维护,就是 动态判断ByteBuf中可写入的区域大小和将写入的字节的关系
• 最后,为了防止内存泄露,将收到的ByteBuf 释放

// todo 创建一个累加器
public static final Cumulator MERGE_CUMULATOR = new Cumulator() {
@Override
public ByteBuf cumulate(ByteBufAllocator alloc, ByteBuf cumulation, ByteBuf in) {
final ByteBuf buffer;
// todo 如果 writerIndex + readableBytes > cumulation.maxCapacity 说明已经无法继续累加了
if (cumulation.writerIndex() > cumulation.maxCapacity() - in.readableBytes()
        || cumulation.refCnt() > 1 || cumulation.isReadOnly()) {
    // todo 扩容
    buffer = expandCumulation(alloc, cumulation, in.readableBytes());
} else {
    buffer = cumulation;
}
// todo 往 ByteBuf中写入数据 完成累加
buffer.writeBytes(in);
// todo 累加完成之后，原数据 释放掉
in.release();
return buffer;
}
};

第二步, callDecode(ctx, cumulation, out)

我们直接跟进源码: 可以看到,在把ByteBuf真正通过下面的 decodeRemovalReentryProtection(ctx, in, out);的子类进行解码时, 它记录下来了当时ByteBuf中可读的字节数, 它用这个标记和经过子类处理之后的ByteBuf的可读的字节数进行比对,从而判断出子类是否真的读取成功

protected void callDecode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) {
try {
while (in.isReadable()) {
    int outSize = out.size();

    if (outSize > 0) {// todo 如果盛放解析完成后的数据的 out集合中有数据
        fireChannelRead(ctx, out, outSize); /// todo 传播channelRead事件，数据也传递进去
        out.clear();  // todo 清空out 集合

        if (ctx.isRemoved()) {
            break;
        }
        outSize = 0;
    }

    // todo 记录 子类使用in之前, in中的可读的字节
    int oldInputLength = in.readableBytes();

    //todo 调用子类重写的 decode()
    decodeRemovalReentryProtection(ctx, in, out);
    if (ctx.isRemoved()) {
        break;
    }

    if (outSize == out.size()) { // todo 0 = 经过上面的decode解析后的 out.size()==0 , 说明没解析出任何东西
        if (oldInputLength == in.readableBytes()) { // todo 第一种情况就是 可能字节数据不够, 根本没从in中读
            break;
        } else {
            continue;  // todo 情况2: 从in中读了, 但是没来得及继续出 内容
        }
    }
    // todo 来到这里就说明,已经解析出数据了 ,
    // todo  解析出数据了  就意味着in中的readIndex被子类改动了, 即 oldInputLength != in.readableBytes()
    // todo 如下现在还相等, 肯定是出问题了
    if (oldInputLength == in.readableBytes()) {
        throw new DecoderException(
                StringUtil.simpleClassName(getClass()) +
                        ".decode() did not read anything but decoded a message.");
    }
    if (isSingleDecode()) {
        break;
    }
}
} catch (DecoderException e) {
throw e;
} catch (Throwable cause) {
throw new DecoderException(cause);
}
}

如何实现自己的解码器?

实现自己的解码器, 就得了解这三个参数分别是什么

• ctx: 当前的hander所在的 Context
• cumulation: 累加器,其实就是ByteBuf
• out: 她其实是个容器, 用来盛放 经过编码之后的数据,也就是可以被后续的处理器使用 类型

实现的思路就是继承ByteToMessageDecoder然后重写它唯一的抽象方法,decode(), 实现的逻辑如下:

protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in, List<Object> out) throws Exception {
    System.out.println("MyDeCoderHandler invoke...");
    System.out.println(in.readableBytes());
    if (in.readableBytes()>=8){
        out.add(in.readLong());
    }
}

常用的编解码器

固定长度的解码器FixedLengthFrameDecoder

他里面只维护着一个private final int frameLength;
使用时,我们通过构造函数传递给他,他就会按照下面的方式解码

我们看一下它的javaDoc

 原始数据
 * +---+----+------+----+
 * | A | BC | DEFG | HI |
 * +---+----+------+----+
 
 如果frameLength==3
 * +-----+-----+-----+
 * | ABC | DEF | GHI |
 * +-----+-----+-----+

它的decode() 实现如下

protected Object decode(
    @SuppressWarnings("UnusedParameters") ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) throws Exception {
if (in.readableBytes() < frameLength) {
    return null;
} else {
// 从in中截取 frameLength 长度的 字节流
    return in.readRetainedSlice(frameLength);
}
}

行解码器LineBasedFrameDecoder

她会根据换行符进行解码, 无论用户发送过来的数据是以 还是 类型的换行符LineBasedFrameDecoder

使用:

   public LineBasedFrameDecoder(final int maxLength) {
        this(maxLength, true, false);
    }
    
  public LineBasedFrameDecoder(final int maxLength, final boolean stripDelimiter, final boolean failFast) {
        this.maxLength = maxLength;
        this.failFast = failFast;
        this.stripDelimiter = stripDelimiter;
    }

第一个构造函数

• 入参位置是我们指定的每一行最大的字节数, 超过了这个大小的所有行,将全部被丢弃
• 默认跳过分隔符
• 出现了超过最大值的行,不报异常

第二个构造函数

• 入参1 是我们指定的每一行最大的字节数, 超过了这个大小的所有行,将全部被丢弃
• 入参2 指定每次解析是否跳过换行符
• 入参3 指定出现大于规定的最大字节数时是否报异常

看它重写的decode()的实现逻辑如下:

它总起来分成四种情况

• 非丢弃模式
  • 找到了换行符
    • 如 readIndex + 换行符的位置 < maxLength 的关系 --> 解码
    • 如 readIndex + 换行符的位置 > maxLength的关系 --> 丢弃
  • 未找到换行符
    • 如果可解析的长度 > maxLength --> 丢弃
• 丢弃模式
  • 找到了换行符
    • 丢弃
  • 未找到换行符
    • 丢弃

基于分隔符的解码器DelimiterBasedFrameDecoder

它主要有这几个成员变量, 根据这几个成员变量,可以选出使用它哪个构造函数

private final ByteBuf[] delimiters;  分隔符,数组
private final int maxFrameLength;    每次能允许的最大解码长度
private final boolean stripDelimiter;  是否跳过分隔符
private final boolean failFast;      超过最大解码长度时,是否抛出异常
private boolean discardingTooLongFrame;  是否丢弃超过最大限度的帧
private int tooLongFrameLength;      记录超过最大范围的字节数值

分三步

• 第一, 判断我们传递进入的分隔符是否是 如果是的话,就是用上面的, 行解码器
• 第二步, 按照最细的力度进行解码, 比如, 我们有两个解码器, AB, 当前的readIndex 到A, 有2个字节, 到B有3个字节, 就会按照A进行解码
• 解码

基于长度域的解码器LengthFieldBasedFrameDecoder

通常我们在对特定的网络协议进行解码时会用到它,比如说,最典型的http协议, 虽然http协议看起来, 又有请求头,又有请求体,挺麻烦的,它在网络中依然是以字节流的方式进行传输

基于长度域,指的是在传输的协议中有一个 length字段,这个十六进制的字段记录的可能是整个协议的长度,也可能是消息体的长度, 我们根据具体情况使用不同的构造函数

如何使用呢? 最常用它下面的这个构造函数

public LengthFieldBasedFrameDecoder(
    int maxFrameLength,
    int lengthFieldOffset,
    int lengthFieldLength,
    int lengthAdjustment,
    int initialBytesToStrip) {
this(
        maxFrameLength,
        lengthFieldOffset, lengthFieldLength, lengthAdjustment,
        initialBytesToStrip, true);
}

使用它的前提是,知道这五个参数的意思

• maxFrameLength 每次解码所能接受的最大帧的长度
• lengthFieldOffset 长度域的偏移量

听着挺高大尚的, 偏移量, 说白了,就是在现有的这段字节数据中找个开始解码的位置, 大多数设为0, 意为,从o位置 开始解码

• lengthFieldLength 字段域的长度, 根据lengthFieldOffset的初始值往后数lengthFieldLength个字节,这段范围解析出来的数值 可能是 长度域的大小,也可能是整个协议的大小(包括header,body...) 根据不同的协议不同
• lengthAdjustment 矫正长度
• initialBytesToStrip 需要取出的长度

下面是javaDoc给的例子

基于长度的拆包

 * BEFORE DECODE (14 bytes)         AFTER DECODE (12 bytes)
 * +--------+----------------+      +--------+----------------+
 * | Length | Actual Content |----->| Length | Actual Content |
 * | 0x000C | "HELLO, WORLD" |      | 0x000C | "HELLO, WORLD" |
 * +--------+----------------+      +--------+----------------+
 这是最简单的情况, 假定 Length的长度就是后面的 真正需要解码的内容
 
 现在的字节全部解码后是这样的  12HELLO, WORLD
 我们要做的就是区分出  12和HELLO, WORLD
 
 * lengthFieldOffset   = 0
 * lengthFieldLength   = 2 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = 0
 * initialBytesToStrip = 0

 意思就是:
  字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]之间的内容转换成十进制,就是后面的字段域的长度
    00 0C ==> 12 
  这个12 意思就是 长度域的长度, 说白了 就是我们想要的 HELLO, WORLD 的长度
  
  这样一算,就分开了

基于长度的阶段拆包

 
  * BEFORE DECODE (14 bytes)         AFTER DECODE (12 bytes)
 * +--------+----------------+      +----------------+
 * | Length | Actual Content |----->| Actual Content |
 * | 0x000C | "HELLO, WORLD" |      | "HELLO, WORLD" |
 * +--------+----------------+      +----------------+
 情况2: 
 
 * lengthFieldOffset   = 0
 * lengthFieldLength   = 2 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = 0
 * initialBytesToStrip = 2
 
  意思就是
   字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]之间的内容转换成十进制,就是后面的字段域的长度是
   00 0C ==> 12 
   这个12 意思就是 长度域的长度, 说白了 就是我们想要的 HELLO, WORLD 的长度
  
  然后,  从0开始 忽略 initialBytesToStrip, 就去除了 length ,只留下 HELLO, WORLD
  
  
  

 有时, 在某些其他协议中, length field 可能代表是整个消息的长度, 包括消息头
       在这种情况下,我们就得指定一个 非零的 lengthAdjustment 去调整
  
  
   * BEFORE DECODE (14 bytes)         AFTER DECODE (14 bytes)
 * +--------+----------------+      +--------+----------------+
 * | Length | Actual Content |----->| Length | Actual Content |
 * | 0x000E | "HELLO, WORLD" |      | 0x000E | "HELLO, WORLD" |
 * +--------+----------------+      +--------+----------------+
  
 * lengthFieldOffset   = 0
 * lengthFieldLength   = 2 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = -2
 * initialBytesToStrip = 0

    意思就是
    
    字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]之间的内容转换成十进制,表示整个协议的长度
    00 0C ==> 14  意味,协议全长 14
    现在还是不能区分开  Length 和 Actual Content
  
    公式: 数据包的长度 =　长度域 + lengthFieldOffset + lengthFieldLength +lengthAdjustment
    
    通过他可以算出 lengthAdjustment = -2

基于偏移长度的拆包

    
  
 * BEFORE DECODE (17 bytes)                      AFTER DECODE (17 bytes)
 * +----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
 * | Header 1 |  Length  | Actual Content |----->| Header 1 |  Length  | Actual Content |
 * |  0xCAFE  | 0x00000C | "HELLO, WORLD" |      |  0xCAFE  | 0x00000C | "HELLO, WORLD" |
 * +----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
  这个例子和第一个例子很像,但是多了头
  
  我们想拿到后面消息长度的信息,就偏移过header
  
 * lengthFieldOffset   = 2
 * lengthFieldLength   = 3 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = 0
 * initialBytesToStrip = 0
  
  
  字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]之间的内容转换成十进制, 表示长度域的长度
               
  在这里 整好跳过了 header 1,   0x00 00 0C 是三个字节
  也就是  字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]=>[0,3]
  0x00 00 0C == 12 表示长度域是 12
  
  现在也成功区分开了 Header 1 和  Length 和 Actual Content
  分别是 2 3 12
  

基于可调整长度的拆包

  
  
  BEFORE DECODE (17 bytes)                      AFTER DECODE (17 bytes)
 * +----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
 * |  Length  | Header 1 | Actual Content |----->|  Length  | Header 1 | Actual Content |
 * | 0x00000C |  0xCAFE  | "HELLO, WORLD" |      | 0x00000C |  0xCAFE  | "HELLO, WORLD" |
 * +----------+----------+----------------+      +----------+----------+----------------+
  
 * lengthFieldOffset   = 0
 * lengthFieldLength   = 3 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = 2
 * initialBytesToStrip = 0
  
  
  字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]之间的内容转换成十进制, 表示长度域的长度

  也就是  字节数组[lengthFieldOffset,lengthFieldLength]=>[0,3]
  0x00 00 0C 是三个字节  
  0x00 00 0C == 12 表示长度域是 12 == 长度域的长度 就是 HELLO, WORLD的长度
  但是上面的图多了一个 两个字节长度的 Header 1
  下一步进行调整 
  
  公式: 数据包的长度 =　长度域 + lengthFieldOffset + lengthFieldLength +lengthAdjustment
  
  lengthAdjustment= 17-12-0-3=2

基于偏移可调整长度的截断拆包

 * BEFORE DECODE (16 bytes)                       AFTER DECODE (13 bytes)
 * +------+--------+------+----------------+      +------+----------------+
 * | HDR1 | Length | HDR2 | Actual Content |----->| HDR2 | Actual Content |
 * | 0xCA | 0x000C | 0xFE | "HELLO, WORLD" |      | 0xFE | "HELLO, WORLD" |
 * +------+--------+------+----------------+      +------+----------------+
  
 
 * lengthFieldOffset   = 1
 * lengthFieldLength   = 2 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = 1
 * initialBytesToStrip = 3
 
 lengthFieldOffset =1 偏移1字节 跨过 HDR1
 
 lengthFieldLength =2 从[1,2] ==> 0x000C =12 表示长度域的值
 
 看拆包后的结果,后面明显还多了个 HDR2 ,进行调整
 公式:  数据包值 = 长度域  + lengthFieldOffset+ lengthFieldLength + lengthAdjustment
 算出 lengthAdjustment = 16 - 12 - 1 - 2 = 1
 
 结果值只有 HDR2 和  Actual Content , 说明,前面通过 initialBytesToStrip 进行忽略
 initialBytesToStrip =3
 

基于偏移可调整长度的 变种 截断拆包

 
  * BEFORE DECODE (16 bytes)                       AFTER DECODE (13 bytes)
 * +------+--------+------+----------------+      +------+----------------+
 * | HDR1 | Length | HDR2 | Actual Content |----->| HDR2 | Actual Content |
 * | 0xCA | 0x0010 | 0xFE | "HELLO, WORLD" |      | 0xFE | "HELLO, WORLD" |
 * +------+--------+------+----------------+      +------+----------------+
 
 
 * lengthFieldOffset   = 1
 * lengthFieldLength   = 2 // todo 每两个字节 表示一个数据包
 * lengthAdjustment    = -3
 * initialBytesToStrip = 3
 
 同样
 看结果,保留 HDR2 和 Actual Content
 
 lengthFieldOffset   = 1 表示跳过开头的 HDR1
 [1,2] ==> 00 10 , 算出的 长度域的值==10 很显然这不对
 
 10 < 13
 
 我们要想拆出后面的数据包就得在现有的基础上往左移动三个字节 -3个调整量