【Netty】Netty传输

一、前言

　　在简单学习了Netty中的组件后，接着学习Netty中数据的传输细节。

二、传输　　

　　2.1 传输示例

　　Netty中的数据传输都是使用的字节类型，下面通过一个实例进行说明，该实例中服务器接受请求，然后向客户端发送一个Hi，最后关闭连接。下面是不同方式的实现。

　　1. OIO方式

　　OIO与NIO对应，使用阻塞式的IO处理，其服务端代码如下　　

package com.hust.grid.leesf.chapter4;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.nio.charset.Charset;

public class PlainOioServer {

    public void serve(int port) throws IOException {
        final ServerSocket socket = new ServerSocket(port);
        try {
            for (;;) {
                final Socket clientSocket = socket.accept();
                System.out.println("Accepted connection from: " + clientSocket);

                new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        OutputStream out;
                        try {
                            out = clientSocket.getOutputStream();
                            out.write("Hi!\r\n".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
                            out.flush();
                            clientSocket.close();

                        } catch (IOException e) {
                            e.printStackTrace();
                            try {
                                clientSocket.close();
                            } catch (IOException ex) {
                                // ignore on close
                            }
                        }
                    }
                }).start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

OIO

　　说明：其中，在for循环中会不断的去监听是否有新请求到达，当有请求到达后，初始化一个新的线程去处理，完成向客户端发送Hi字符串，最后关闭连接。使用OIO方式的性能较差，扩展性也不好，需要使用异步方式处理。

　　2. NIO方式

package com.hust.grid.leesf.chapter4;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class PlainNioServer {
    public void serve(int port) throws IOException {
        ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
        serverChannel.configureBlocking(false);
        ServerSocket ss = serverChannel.socket();
        InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
        ss.bind(address);
        Selector selector = Selector.open();
        serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        final ByteBuffer msg = ByteBuffer.wrap("Hi!\r\n".getBytes());
        for (;;) {
            try {
                selector.select();
            } catch (IOException ex) {
                ex.printStackTrace();
                // handle exception
                break;
            }
            Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();    //5
            Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                try {
                    if (key.isAcceptable()) {                //6
                        ServerSocketChannel server =
                                (ServerSocketChannel)key.channel();
                        SocketChannel client = server.accept();
                        client.configureBlocking(false);
                        client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE |
                                SelectionKey.OP_READ, msg.duplicate());    //7
                        System.out.println(
                                "Accepted connection from " + client);
                    }
                    if (key.isWritable()) {                //8
                        SocketChannel client =
                                (SocketChannel)key.channel();
                        ByteBuffer buffer =
                                (ByteBuffer)key.attachment();
                        while (buffer.hasRemaining()) {
                            if (client.write(buffer) == 0) {        //9
                                break;
                            }
                        }
                        client.close();                    //10
                    }
                } catch (IOException ex) {
                    key.cancel();
                    try {
                        key.channel().close();
                    } catch (IOException cex) {
                        // ignore on close
                    }
                }
            }
        }
    }
}

NIO

　　说明：NIO方法使用了Selector和Channel等组件，使用Selector来处理多个Channel，其代码与OIO代码几乎是完全不相同。

　　3. Netty的OIO方式

　　当使用Netty框架处理时，并且采用OIO的方式，其代码如下　

package com.hust.grid.leesf.chapter4;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.oio.OioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.oio.OioServerSocketChannel;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.charset.Charset;

public class NettyOioServer {

    public void server(int port) throws Exception {
        final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
                Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
        EventLoopGroup group = new OioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();

            b.group(group)
             .channel(OioServerSocketChannel.class)
             .localAddress(new InetSocketAddress(port))
             .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) 
                     throws Exception {
                     ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                         @Override
                         public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                             ctx.writeAndFlush(buf.duplicate()).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
                         }
                     });
                 }
             });
            ChannelFuture f = b.bind().sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }
}

Netty的OIO

　　可以看到上述代码很多都是和之前示例中使用的代码相同，再来看看在Netty框架下使用NIO时的处理方式。

　　4. Netty的NIO方式　　

package com.hust.grid.leesf.chapter4;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.charset.Charset;

public class NettyNioServer {

    public void server(int port) throws Exception {
        final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
                Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup())
             .channel(NioServerSocketChannel.class)
             .localAddress(new InetSocketAddress(port))
             .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                 @Override
                 public void initChannel(SocketChannel ch) 
                     throws Exception {
                     ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                         @Override
                         public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                             ctx.writeAndFlush(buf.duplicate()).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
                         }
                     });
                 }
             });
            ChannelFuture f = b.bind().sync();
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }
}

Netty的NIO

　　可以看到Netty框架下的NIO和OIO的代码基本相同。

　　2.2 传输细节

　　传输的核心是Channel接口，其继承结构图如下所示

　　其中，Channel继承了AttributeMap和Comparable接口，其包含ChannelPipeline和ChannelConfig两个实例，ChannelConfig包含了所有的配置信息，ChannelPipeline包含了所有的ChannelHandler实例，其中用于存放用户的处理逻辑。典型的ChannelHandler用法如下

　　　　· 将数据类型进行转化

　　　　· 提供异常通知

　　　　· 提供Channel变为活动或非活动的通知

　　　　· 提供当Channel在EventLoopGroup中注册或者注销时的通知

　　　　· 提供用户定义事件的通知

　　Netty中的Channel实现是线程安全的，所以在多线程环境中可安全使用。

　　2.3 传输方案

　　Netty提供了多种传输方案，你可根据应用的不同选择合适的传输方案。

　　1. NIO-非阻塞型I/O

　　NIO提供了完全异步的IO实现，其使用基于选择器的API，选择器的核心概念是将其作为注册表，当通道的状态变化时会接受到通知，可能有的变化状态如下

　　　　· 一个新通道被接受并已准备好

　　　　· 一个通道的连接已经完成

　　　　· 一个通道已经有准备好读取的数据

　　　　· 一个通道可以写入数据

　　当应用程序对状态的变化做出反应后，会重置选择器并重复处理，根据不同的状态给出不同的响应，选择操作有如下四种类型OP_ACCEPT 、OP_CONNECT、OP_READ 、OP_WRITE，其中选择器的处理流程如下图所示

　　2. Epoll-Linux的本机非阻塞传输

　　Netty可在任何系统上运行，但对于不同的系统会有不同的折中，Linux系统中的epoll具有高可扩展的I/O的事件通知，Linux上的JDK的NIO则是基于epoll，当使用epoll取代NIO时，可以使用Netty中的EpollEventLoopGroup取代NioEventLoopGroup，使用EpollServerSocketChannel.class取代NioServerSocketChannel.class。

　　3. OIO-阻塞型I/O

　　Netty的OIO是一种妥协方案，其使用JAVA中原生态的旧的API，其是同步阻塞的。在java.net的API中，通常使用一个线程接受来自指定端口的请求，当创建一个套接字时，就会创建一个新的线程来进行处理，其处理流程图如下图所示