Netty2：粘包/拆包问题与使用LineBasedFrameDecoder的解决方案

什么是粘包、拆包

粘包、拆包是Socket编程中最常遇见的一个问题，本文来研究一下Netty是如何解决粘包、拆包的，首先我们从什么是粘包、拆包开始说起：

TCP是个"流"协议，所谓流，就是没有界限的一串数据，TCP底层并不了解上层业务的具体含义，它会根据TCP缓冲区的实际情况进行包的划分，所以在业务上：

• 一个完整的包可能会被TCP拆分为多个包进行发送（拆包）
• 多个小的包也有可能被封装成一个大的包进行发送（粘包）

这就是所谓的TCP粘包与拆包

下图演示了粘包、拆包的场景：

 基本上有四种情况：

• Data1、Data2都分开发送到了Server端，没有产生粘包与拆包的情况
• Data1、Data2数据粘在了一起，打成了一个大的包发送到了Server端，这种情况就是粘包
• Data1被分成Data1_1与Data1_2，Data1_1先到服务端，Data1_2与Data2再到服务端，这种情况就是拆包
• Data2被分成Data2_1与Data2_2，Data1与Data2_1先到服务端，Data2_2再到服务端，同上，这也是一种拆包的场景

粘包、拆包产生的原因

上面我们详细了解了TCP粘包与拆包，那么粘包与拆包为什么会发生呢，大致上有三种原因：

• 应用程序写入的字节大小大于Socket发送缓冲区大小
• 进行MSS大小的TCP，MSS是最大报文段长度的缩写，是TCP报文段中的数据字段最大长度，MSS=TCP报文段长度-TCP首部长度
• 以太网的Payload大于MTU，进行IP分片，MTU是最大传输单元的缩写，以太网的MTU为1500字节

粘包、拆包解决策略

由于底层的TCP无法理解上层的业务数据，所以在底层是无法保证数据包不被拆分和重组的，这个问题只能通过上层的应用协议栈设计来解决，根据业界的主流协议的解决方案，可以归纳如下：

• 消息定长，例如每个报文的大小固定为200字节，如果不够空位补空格
• 包尾增加回车换行符进行分割，例如FTP协议
• 将消息分为消息头和消息体，消息头中包含表示长度的字段，通常涉及思路为消息头的第一个字段使用int32来表示消息的总长度
• 更复杂的应用层协议

未考虑TCP粘包导致功能异常演示

基于Netty的第一篇文章《Netty1：初识Netty》，TimeServer与TimeClient不变，简单修改一下TimeServerHandler与TimeClientHandler即可以模拟出TCP粘包的情况，首先修改TimeClientHandler：

public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TimeClientHandler.class);
    
    private int counter;
    
    private byte[] req;
    
    public TimeClientHandler() {
        req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
    }
    
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf message = null;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            message = Unpooled.buffer(req.length);
            message.writeBytes(req);
            ctx.writeAndFlush(message);
        }
    }
    
    @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("Now is:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
    }
    
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        LOGGER.warn("Unexcepted exception from downstream:" + cause.getMessage());
        ctx.close();
    }
    
}

TimeClientHandler的变化是，之前是发送一次"QUERY TIME ORDER"到服务端，现在变为发送100次"QUERY TIME ORDER"+标准换行符到服务端，并在客户端增加一个计数器，记录从服务端收到的响应次数。

服务单TimeServerHandler也简单改造一下，增加一个计数器记录一下从客户端收到的请求次数：

public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;
    
    @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").substring(0, req.length - System.getProperty("line.separator").length());
        System.out.println("The time server receive order:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
        
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }
    
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
    
}

按照设计，服务端应该会打印出100次"Time time server..."，客户端应当会打印出100次"Now is ..."，因为客户端向服务端发送了100次"QUERY TIME ORDER"的请求，实际运行起来呢？先看一下服务端的打印：

The time server receive order:QUERY TIME ORDER
QUERY TIME ORDER
...省略，这里有55个
QUERY TIME ORD; the counter is:1
The time server receive order:
...省略，这里有42个
QUERY TIME ORDER; the counter is:2

counter最终等于2，表明服务端实际上只收到了2条请求，很显然这里发生了粘包，即多个客户端的包合成了一个发送到了服务端，服务端每收到一个包的大小为1024字节。

接着看一下客户端的打印：

Now is:BAD ORDER
BAD ORDER
; the counter is:1

因为服务端只收到了2条消息，因此客户端也只会收到2条消息，因为服务端两次收到的内容都不满足"QUERY TIME ORDER"，因此返回"BAD ORDER"到客户端，但是为什么客户端的counter=1呢？回过头来仔细想想，因此服务端发送给客户端的消息也发生了粘包。因此这里简单得出一个结论：粘包/拆包不仅仅发生在客户端给服务端发送数据，服务端回数据给客户端同样有可能发生粘包/拆包。

上面的例子演示了粘包，拆包其实一样的，既然可以知道服务端每收到一个包的大小为1024字节，那客户端每次发送一个大于1024字节的数据给服务端就可以了，有兴趣的朋友可以自己尝试一下。

利用LineBasedFrameDecoder解决粘包问题

为了解决TCP粘包/拆包导致的半包读写问题，Netty默认提供了多种编解码器用于处理半包，针对上面发送"QUERY TIME ORDER"+标准换行符的这种场景，简单使用LineBasedFrameDecoder就可以解决上面发生的粘包问题。

首先对TimeServer进行改造，加入LineBasedFrameDecoder与StringDecoder：

public class TimeServer {

    public void bind(int port) throws Exception {
        // NIO线程组
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
                .childHandler(new ChildChannelHandler());
            
            // 绑定端口，同步等待成功
            ChannelFuture f = b.bind(port).sync();
            // 等待服务端监听端口关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // 优雅退出，释放线程池资源
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }
    
    private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
        @Override
        protected void initChannel(SocketChannel arg0) throws Exception {
            arg0.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
            arg0.pipeline().addLast(new StringDecoder());
            arg0.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
        }
    }
    
}

改造点就在29行、30行两行，加入了LineBasedFrameDecoder与StringDecoder，同时TimeServerHandler也需要相应改造：

public class TimeServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private int counter;
    
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        String body = (String)msg;
        System.out.println("The time server receive order:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
        
        String currentTime = "QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD ORDER";
        currentTime = currentTime + System.getProperty("line.separator");
        
        ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currentTime.getBytes());
        ctx.writeAndFlush(resp);
    }
    
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        ctx.close();
    }
    
}

改造点在第7行，由于使用了StringDecoder，因此channelRead的第二个参数msg不再是ByteBuf类型而是String类型，因此这里只需要做一次String强转即可。

TimeClient改造类似：

public class TimeClient {

    public void connect(int port, String host) throws Exception {
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            
            b.group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true)
                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(1024));
                        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                    };
                });
            
            // 发起异步连接操作
            ChannelFuture f = b.connect(host, port).sync();
            // 等待客户端连接关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            // 优雅退出，释放NIO线程组
            group.shutdownGracefully();
        }
    }
    
}

第13行、第14行这两行加入了LineBasedFrameDecoder与StringDecoder，TimeClientHandler相应改造：

public class TimeClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {

    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(TimeClientHandler.class);
    
    private int counter;
    
    private byte[] req;
    
    public TimeClientHandler() {
        req = ("QUERY TIME ORDER" + System.getProperty("line.separator")).getBytes();
    }
    
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        ByteBuf message = null;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            message = Unpooled.buffer(req.length);
            message.writeBytes(req);
            ctx.writeAndFlush(message);
        }
    }
    
    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        String body = (String)msg;
        System.out.println("Now is:" + body + "; the counter is:" + ++counter);
    }
    
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
        LOGGER.warn("Unexcepted exception from downstream:" + cause.getMessage());
        ctx.close();
    }
    
}

第25行这里使用String进行强转即可。接下来看一下服务端的打印：

The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:1
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:2
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:3
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:4
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:5
...
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:98
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:99
The time server receive order:QUERY TIME ORDER; the counter is:100

看到服务端正常counter从1打印到了100，即收到了100个完整的客户端请求，客户端的打印如下：

Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:1
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:2
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:3
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:4
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:5
...
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:98
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:99
Now is:Sat Apr 07 16:00:51 CST 2018; the counter is:100

看到同样的客户端也正常counter从1打印到了100，即收到了100个完整的服务端响应，至此，使用LineBasedFrameDecoder与StringDecoder解决了上述粘包问题。

整个LineBasedFrameDecoder的原理也比较简单：

LineBasedFrameDecoder依次遍历ByteBuf中的可读字节，判断是否有"
"或者"
"，如果有就以此位置为结束位置，从可读索引到结束位置区间的字节就组成了一行，它是以换行符为结束标志的解码器，支持携带结束符或者不携带结束符两种解码方式，同时支持配置单行的最大长度，如果连续读到最大长度后仍然没有发现换行符，就会抛出异常，同时忽略掉之前读到的异常码流。

StringDecoder的功能非常简单，就是将接收到的对象转换为字符串，然后继续调用后面的Handler

LineBasedFrameDecoder+StringDecoder就是按行切换的文本解码器，被设计用于支持TCP的粘包和拆包