Netty 拆包粘包和服务启动流程分析

Netty 拆包粘包和服务启动流程分析

通过本章学习,笔者希望你能掌握EventLoopGroup的工作流程,ServerBootstrap的启动流程,ChannelPipeline是如何操作管理Channel。只有清楚这些,才能更好的了解和使用Netty。还在等什么,快来学习吧!

知识结构图:

Netty

技术:Netty,拆包粘包,服务启动流程
说明:若你对NIO有一定的了解,对于本章知识来说有很大的帮助!NIO教程
源码:https://github.com/ITDragonBlog/daydayup/tree/master/Netty/netty-stu

Netty 重要组件

这里让你清楚了解 ChannelPipeline,ChannelHandlerContext,ChannelHandler,Channel 四者之间的关系。
这里让你清楚了解 NioEventLoopGroup,NioEventLoop,Channel 三者之间的关系。
这里让你清楚了解 ServerBootstrap,Channel 两者之间的关系。
看懂了这块的理论知识,后面Netty拆包粘包的代码就非常的简单。

Channel

Channel : Netty最核心的接口。NIO通讯模式中通过Channel进行Socket套接字的读,写和同时读写操作。
ChannelHandler : 因为直接使用Channel会比较麻烦,所以在Netty编程中通过ChannelHandler间接操作Channel,从而简化开发。
ChannelPipeline : 可以理解为一个管理ChandlerHandler的链表。对Channel进行操作时,Pipeline负责从尾部依次调用每一个Handler进行处理。每个Channel都有一个属于自己的ChannelPipeline。
ChannelHandlerContext : ChannelPipeline通过ChannelHandlerContext间接管理每个ChannelHandler。

如下图所示,结合代码,在服务器初始化和客户端创建连接的过程中加了四个Handler,分别是日志事务,字符串分割解码器,接受参数转字符串解码器,处理任务的Handler。

NioEventLoopGroup

EventLoopGroup : 本质是个线程池,继承了ScheduledExecutorService 定时任务线程池。
NioEventLoopGroup : 是用来处理NIO通信模式的线程池。每个线程池有N个NioEventLoop来处理Channel事件,每一个NioEventLoop负责处理N个Channel。
NioEventLoop : 负责不停地轮询IO事件,处理IO事件和执行任务,类比多路复用器,细化分三件事。
1 轮询注册到Selector上所有的Channel的IO事件
2 处理产生网络IO事件的Channel
3 处理队列中的任务

ServerBootstrap

本章重点,Netty是如何通过NIO辅助启动类来初始化Channel的?先看下面的源码。

@Override
void init(Channel channel) throws Exception {
	final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options0();
	synchronized (options) {
		setChannelOptions(channel, options, logger);
	}
	final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs0();
	synchronized (attrs) {
		for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
			@SuppressWarnings("unchecked")
			AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
			channel.attr(key).set(e.getValue());
		}
	}
	ChannelPipeline p = channel.pipeline();
	final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
	final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
	final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
	final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
	synchronized (childOptions) {
		currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(childOptions.size()));
	}
	synchronized (childAttrs) {
		currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(childAttrs.size()));
	}
	p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
		@Override
		public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
			final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
			ChannelHandler handler = config.handler();
			if (handler != null) {
				pipeline.addLast(handler);
			}
			ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
							ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
				}
			});
		}
	});
}

服务器启动和连接过程:
第一步:是给Channel设置options和attrs,
第二步:复制childGroup,childHandler,childOptions和childAttrs等待服务器和客户端连接,
第三步:实例化一个ChannelInitializer,添加到Pipeline的末尾。
第四步:当Channel注册到NioEventLoop时,ChannelInitializer触发initChannel方法,pipeline装入自定义的Handler,给Channel设置一下child配置。

小结:
1 group,options,attrs,handler,是在服务器端初始化时配置,是AbstractBootstrap的方法。
2 childGroup,childOption,childAttr,childHandler,是在服务器与客户端建立Channel后配置,是ServerBootstrap的方法。
3 Bootstrap 和 ServerBootstrap 都继承了AbstractBootstrap类。
4 若不设置childGroup,则默认取group值。
5 Bootstrap 和 ServerBootstrap 启动服务时,都会执行验证方法,判断必填参数是否都有配置。

Netty 拆包粘包

这里通过介绍Netty拆包粘包问题来对Netty进行入门学习。
在基于流的传输中,即便客户端发送独立的数据包,操作系统也会将其转换成一串字节队列,而服务端一次读取到的字节数又不确定。再加上网络传输的快慢。服务端很难完整的接收到数据。
常见的拆包粘包方法有三种
1 服务端设置一次接收字节的长度。若服务端接收的字节长度不满足要求则一直处于等待。客户端为满足传输的字节长度合格,可以考虑使用空格填充。
2 服务端设置特殊分隔符。客户端通过特殊分隔符粘包,服务端通过特殊分隔符拆包。
3 自定义协议。数据传输一般分消息头和消息体,消息头中包含了数据的长度。服务端先接收到消息头,得知需要接收N个数据,然后服务端接收直到数据为N个为止。
本章采用第二种,用特殊分隔符的方式。

创建服务端代码流程

第一步:准备两个线程池。一个用于接收事件的boss线程池,另一个用于处理事件的worker线程池。
第二步:服务端实例化ServerBootstrap NIO服务辅助启动类。用于简化提高开发效率。
第三步:配置服务器启动参数。比如channel的类型,接收channel的EventLoop,初始化的日志打印事件,建立连接后的事件(拆包,对象转字符串,自定义事件),初始化的配置和建立连接后的配置。
第四步:绑定端口,启动服务。Netty会根据第三步配置的参数启动服务。
第五步:关闭资源。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
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.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.FixedLengthFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;  
public class ITDragonServer {  
      
    private static final Integer PORT = 8888; 							// 被监听端口号
    private static final String DELIMITER = "_$"; 						// 拆包分隔符  
      
    public static void main(String[] args) {  
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); 			// 用于接收进来的连接
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); 			// 用于处理进来的连接
        try {  
            ServerBootstrap serverbootstrap = new ServerBootstrap(); 	// 启动NIO服务的辅助启动类
            serverbootstrap.group(bossGroup, workerGroup) 				// 分别设置bossGroup, workerGroup 顺序不能反
            .channel(NioServerSocketChannel.class) 						// Channel的创建工厂,启动服务时会通过反射的方式来创建一个NioServerSocketChannel对象
            .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))					// handler在初始化时就会执行,可以设置打印日志级别
            .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {  	// childHandler会在客户端成功connect后才执行,这里实例化ChannelInitializer
                @Override  
                protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception { 	// initChannel方法执行后删除实例ChannelInitializer,添加以下内容
                    ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer(DELIMITER.getBytes());  		// 获取特殊分隔符的ByteBuffer
                    socketChannel.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(128, delimiter)); // 设置特殊分隔符用于拆包 
//                    socketChannel.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8));  设置指定长度分割
                    socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder());  				// 设置字符串形式的解码  
                    socketChannel.pipeline().addLast(new ITDragonServerHandler());			// 自定义的服务器处理类,负责处理事件
                }  
            })  
            .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) 						// option在初始化时就会执行,设置tcp缓冲区  
            .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); 			// childOption会在客户端成功connect后才执行,设置保持连接  
            ChannelFuture future = serverbootstrap.bind(PORT).sync(); 	// 绑定端口, 阻塞等待服务器启动完成,调用sync()方法会一直阻塞等待channel的停止
            future.channel().closeFuture().sync(); 						// 等待关闭 ,等待服务器套接字关闭
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            workerGroup.shutdownGracefully(); 							// 关闭线程组,先打开的后关闭  
            bossGroup.shutdownGracefully();  
        }  
    }  
}  

核心参数说明

NioEventLoopGroup : 是用来处理I/O操作的多线程事件循环器。 Netty提供了许多不同的EventLoopGroup的实现用来处理不同传输协议。
ServerBootstrap : 启动NIO服务的辅助启动类。先配置Netty服务端启动参数,执行bind(PORT)方法才算真正启动服务。
group : 注册EventLoopGroup
channel : channelFactory,用于配置通道的类型。
handler : 服务器始化时就会执行的事件。
childHandler : 服务器在和客户端成功连接后会执行的事件。
initChannel : channelRegistered事件触发后执行,删除ChannelInitializer实例,添加该方法体中的handler。
option : 服务器始化的配置。
childOption : 服务器在和客户端成功连接后的配置。
SocketChannel : 继承了Channel,通过Channel可以对Socket进行各种操作。
ChannelHandler : 通过ChannelHandler来间接操纵Channel,简化了开发。
ChannelPipeline : 可以看成是一个ChandlerHandler的链表。
ChannelHandlerContext : ChannelPipeline通过ChannelHandlerContext来间接管理ChannelHandler。

自定义服务器处理类

第一步:继承 ChannelInboundHandlerAdapter,其父类已经实现了ChannelHandler接口,简化了开发。
第二步:覆盖 chanelRead()事件处理方法 ,每当服务器从客户端收到新的数据时,该方法会在收到消息时被调用。
第三步:释放 ByteBuffer,ByteBuf是一个引用计数对象,这个对象必须显示地调用release()方法来释放。
第四步:异常处理,即当Netty由于IO错误或者处理器在处理事件时抛出的异常时触发。在大部分情况下,捕获的异常应该被记录下来并且把关联的channel给关闭掉。

package com.itdragon.delimiter;
import com.itdragon.utils.ITDragonUtil;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;  
  
public class ITDragonServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{  
	private static final String DELIMITER = "_$"; // 拆包分隔符  
    @Override  
    public void channelRead(ChannelHandlerContext chc, Object msg) {  
        try {  
        	// 普通读写数据
        	/* 设置字符串形式的解码 new StringDecoder() 后可以直接使用
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;  
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];  
            buf.readBytes(req);  
            String body = new String(req, "utf-8");  
            */
        	System.out.println("Netty Server : " + msg.toString());
            // 分隔符拆包  
            String response = ITDragonUtil.cal(msg.toString())+ DELIMITER;  
            chc.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(response.getBytes()));
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            ReferenceCountUtil.release(msg); // 写入方法writeAndFlush ,Netty已经释放了
        }  
    }  
    // 当出现Throwable对象才会被调用
    @Override  
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext chc, Throwable cause) {  
        // 这个方法的处理方式会在遇到不同异常的情况下有不同的实现,比如你可能想在关闭连接之前发送一个错误码的响应消息。  
        cause.printStackTrace();  
        chc.close();  
    }  
}  

客户端启动流程

第一步:创建一个用于发送请求的线程池。
第二步:客户端实例化Bootstrap NIO服务启动辅助类,简化开发。
第三步:配置参数,粘包,发送请求。
第四步:关闭资源。
值得注意的是,和ServerBootstrap不同,它并没有childHandler和childOption方法。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;  
import io.netty.channel.ChannelFuture;  
import io.netty.channel.ChannelInitializer;  
import io.netty.channel.ChannelOption;  
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;  
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;  
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.FixedLengthFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;  
  
public class ITDragonClient {  
      
    private static final Integer PORT = 8888;  
    private static final String HOST = "127.0.0.1";  
    private static final String DELIMITER = "_$"; // 拆包分隔符  
      
    public static void main(String[] args) {  
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();  
        try {  
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();  
            bootstrap.group(group)  
            .channel(NioSocketChannel.class)  
            .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                @Override  
                protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception { 
                	ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer(DELIMITER.getBytes());  
                    // 设置特殊分隔符
                    socketChannel.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(128, delimiter));  
                    // 设置指定长度分割  不推荐,两者选其一
//                    socketChannel.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8));  
                    socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder()); 
                    socketChannel.pipeline().addLast(new ITDragonClientHandler());  
                }  
            })  
            .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);  
              
            ChannelFuture future = bootstrap.connect(HOST, PORT).sync(); // 建立连接  
            future.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(("1+1"+DELIMITER).getBytes()));  
            future.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(("6+1"+DELIMITER).getBytes()));  
            future.channel().closeFuture().sync();  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            group.shutdownGracefully();  
        }  
    }  
}  

客户端请求接收类

和服务器处理类一样,这里只负责打印数据。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;  
public class ITDragonClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{  
          
	@Override 
    public void channelRead(ChannelHandlerContext chc, Object msg) {  
        try {  
        	/* 设置字符串形式的解码 new StringDecoder() 后可以直接使用
            ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;  
            byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];  
            buf.readBytes(req);  
            String body = new String(req, "utf-8");  
            */
            System.out.println("Netty Client :" + msg);  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            ReferenceCountUtil.release(msg);
        }  
    }  
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext chc, Throwable cause) {  
        cause.printStackTrace();  
        chc.close();  
    }  
}  

打印结果

一月 29, 2018 11:31:10 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelRegistered
信息: [id: 0xcf3a3ac1] REGISTERED
一月 29, 2018 11:31:11 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler bind
信息: [id: 0xcf3a3ac1] BIND: 0.0.0.0/0.0.0.0:8888
一月 29, 2018 11:31:11 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelActive
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] ACTIVE
一月 29, 2018 11:31:18 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelRead
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] READ: [id: 0xf1b8096b, L:/127.0.0.1:8888 - R:/127.0.0.1:4777]
一月 29, 2018 11:31:18 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelReadComplete
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] READ COMPLETE
Netty Server : 1+1
Netty Server : 6+1

Netty Client :2
Netty Client :7

从日志中可以看出Channel的状态从REGISTERED ---> ACTIVE ---> READ ---> READ COMPLETE。服务端也是按照特殊分割符拆包。

总结

看完本章,你必须要掌握的三个知识点:NioEventLoopGroup,ServerBootstrap,ChannelHandlerAdapter
1 NioEventLoopGroup 本质就是一个线程池,管理多个NioEventLoop,一个NioEventLoop管理多个Channel。
2 NioEventLoop 负责不停地轮询IO事件,处理IO事件和执行任务。
3 ServerBootstrap 是NIO服务的辅助启动类,先配置服务参数,后执行bind方法启动服务。
4 Bootstrap 是NIO客户端的辅助启动类,用法和ServerBootstrap类似。
5 Netty 使用FixedLengthFrameDecoder 固定长度拆包,DelimiterBasedFrameDecoder 分隔符拆包。

到这里,Netty的拆包粘包,以及Netty的重要组件,服务器启动流程到这里就结束了,如果觉得不错可以点一个** "推荐" ** ,也可以** "关注" **我哦。

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posted @ 2018-01-29 20:14  ITDragon龙  阅读(5587)  评论(5编辑  收藏  举报