聊聊分布式架构06——[NIO入门]简单的Netty NIO示例

目录

Java NIO和Netty NIO比较

Java NIO：

Netty：

Netty NIO中的主要模块

Transport（传输层）

Buffer（缓冲区）

Codec（编解码器）

Handler（处理器）

EventLoop（事件循环）

Bootstrap和Channel（引导和通道）

Future和Promise（异步编程）

Netty示例

服务端时序图

服务端代码

客户端时序图

客户端代码

总结

Java NIO和Netty NIO比较

Java NIO：

  1. 原生Java库： Java NIO是Java标准库的一部分，提供了非阻塞I/O的核心功能。它是Java平台上的底层API，允许开发者直接操作通道、缓冲区和选择器等组件。

  2. 较低级别： Java NIO是相对较低级别的API，需要开发者编写更多的底层代码来处理网络通信和协议。这可以提供更多的控制权，但也增加了开发复杂性。

  3. 多路复用： Java NIO通过选择器（Selector）实现多路复用，允许一个线程管理多个通道。这对于处理大量并发连接非常有用。

  4. 手动管理缓冲区： Java NIO需要开发者手动管理缓冲区，包括分配、读取、写入和释放缓冲区。这可能导致更复杂的代码结构。

  5. 适用场景： Java NIO适用于需要高度自定义的网络协议网络服务器。它在性能和灵活性方面提供了更多的控制权。

Netty：

  1. 高级别框架： Netty是一个基于Java NIO的高级别框架，它封装了底层的NIO细节，提供了更简单和强大的API来处理网络通信。

  2. 事件驱动： Netty是事件驱动的框架，使用事件处理器（Event Handlers）来处理入站和出站事件。这使得编写网络应用程序更加模块化和可维护。

  3. 自动管理缓冲区： Netty自动管理缓冲区，无需开发者手动分配和释放缓冲区。这减轻了内存管理的负担。

  4. 丰富的功能： Netty提供了丰富的功能，包括HTTP、WebSocket、TLS/SSL支持、UDP通信、拆包和粘包处理等。它还支持异步和同步I/O操作。

  5. 社区和生态系统： Netty拥有强大的社区支持和丰富的生态系统，有大量的扩展和插件可用。这使得开发人员可以更快地构建复杂的网络应用。

  6. 适用场景： Netty适用于构建高性能、可扩展、可维护的网络应用程序，特别是在处理协议复杂、并发连接众多的情况下。

为什么选择Netty?

Java NIONetty NIO
API和类库繁杂麻烦，需掌握Selector、Channel、Buffer等封装简单，门槛低
扩展实现需要熟悉多线程和网络编程保证代码质量通过ChannelHandler对框架灵活扩展
可靠性可靠性能力需手动补齐，工作量和难度大预编码、多协议，功能强，性能高
Bug Fixed臭名昭著的epoll bug（selector空轮询，CPU到100%）1.6版本说修复，1.7版本还在，只是调低了触发率稳定，成熟，修复了所有已发现的Java NIO Bug
社区生态/社区活跃，迭代周期短
生存迭代/经历大规模商业应用考验，质量得到验证

基础篇我们使用Java NIO举例演示了简单的RPC通信。代码的行数和步骤确实挺繁琐，不如来看看Netty 的操作，是骡子是马牵出来溜溜先，就当诸君饭后消个食。

Netty NIO中的主要模块

Netty是一个强大的网络编程框架，它由多个主要模块组成，每个模块负责不同的功能。以下是Netty中的一些主要模块：

  1. Transport（传输层）

    • NIO： 这个模块实现了基于Java NIO的传输层，提供了非阻塞的网络通信功能。它包括NioEventLoopGroup、NioServerSocketChannel、NioSocketChannel等类，用于创建和管理NIO通道。

  2. Buffer（缓冲区）

    • Java NIO中的ByteBuffer局限性：

      • ByteBuffer长度固定，不能动态伸缩和扩展，编码对象时容易引起索引越界异常

      • ByteBuffer只有一个标识位置的指针position，需要手工调用flip()和rewind()，不方便

      • ByteBuffer的API功能有限，需要使用者自己编程实现一些高级和实用的特性

    • 为了弥补这些不足，Netty NIO提供了自己的实现——ByteBuf：

      Netty提供了高性能的缓冲区实现ByteBuf，用于处理数据的读取和写入。ByteBuf提供了直接和间接缓冲区，并支持池化，以减少内存分配和回收的开销。

  3. Codec（编解码器）

    • 编码器和解码器： 这个模块包括一系列编解码器，用于将数据序列化和反序列化为字节，以便在网络中传输。Netty提供了JSON、Protobuf、HTTP、WebSocket等多种编解码器。

  4. Handler（处理器）

    • ChannelHandler： ChannelHandler是Netty中的核心概念，用于处理事件和数据。它可以自定义，用于构建处理链。Netty提供了各种内置的ChannelHandler，如SimpleChannelInboundHandler、ChannelDuplexHandler等。

  5. EventLoop（事件循环）

    • EventLoopGroup： 这个模块包括了EventLoopGroup和EventLoop，用于实现事件循环机制。EventLoopGroup管理一组EventLoop，每个EventLoop负责处理一组通道上的事件。事件循环是Netty实现异步和事件驱动的关键。

  6. Bootstrap和Channel（引导和通道）

    • ServerBootstrap和Bootstrap： 这两个类用于引导Netty应用程序的启动。ServerBootstrap用于启动服务器端，而Bootstrap用于启动客户端。

    • Channel和ChannelPipeline： Channel表示通道，它代表了一个网络连接。在Channel接口层，采用Fade模式进行统一封装。ChannelPipeline是处理链，包含一系列ChannelHandler，用于处理事件和数据。

  7. Future和Promise（异步编程）

    • Future： Netty使用Future来表示异步操作的结果，允许开发者异步地等待操作完成。

    • Promise： Promise是Future的扩展，允许开发者设置操作的结果，使得异步编程更加方便。

Netty示例

服务端时序图

服务端代码
/*** Netty Server* 开始：需要绑定端口用于启动* 1.创建线程组bossGroup用于处理客户端连接* 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写* 3.创建Bootstrap服务启动辅助类，类似serverSocketChannel* 4.链式编程，构造线程组、serverChannel、options、channelHandle* 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer<SocketChannel>进行功能扩展* 结束：优雅退出关闭资源*/
public class Server {public static void main(String[] args) {new Server().bind(8088);}
​/*** 绑定端口用于启动* @param port 服务端口*/public void bind(int port) {// 1.创建线程组bossGroup处理客户端连接EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();// 2.创建线程组workGroup用于socket网络读写EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();try {// 3.创建Bootstrap服务启动辅助类，类似serverSocketChannelServerBootstrap server = new ServerBootstrap();// 4.链式编程，构造线程组、serverChannel、options、channelHandleserver.group(bossGroup, workerGroup).channel(NioServerSocketChannel.class).option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024).childHandler(new ChildChannelHandler());System.out.println("server start on port:" + port);
​// 绑定端口异步调用连接客户端，同步阻塞等待(连接结果)连接成功ChannelFuture channelFuture = server.bind(port).sync();
​// 异步调用close关闭链路，同步阻塞等待(关闭结果)关闭成功后退出main函数channelFuture.channel().closeFuture().sync();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {// 优雅退出关闭资源bossGroup.shutdownGracefully();workerGroup.shutdownGracefully();}}
​/*** 5.ChannelHandle继承自ChannelInitializer<SocketChannel>进行功能扩展*/private class ChildChannelHandler extends ChannelInitializer<SocketChannel> {
​@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {socketChannel.pipeline().addLast(new ServerHandler());}}
​private class ServerHandler extends ChannelHandlerAdapter {@Overridepublic void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; // 读取缓冲区可读取长度buf.readBytes(req);String body = new String(req, "UTF-8");System.out.println("Server receive msg:" + body);String currTime = "query time".equalsIgnoreCase(body) ? new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "error code";ByteBuf resp = Unpooled.copiedBuffer(currTime.getBytes());ctx.write(resp);}
​@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {ctx.close();}
​@Overridepublic void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {ctx.flush(); // 将发送缓冲数组中的消息通过flush()写入socketChannel发送，避免了频繁调用selector进行发送}}
}
客户端时序图

客户端代码
/*** 开始：连接服务端ip：port* 1.创建EventLoopGroup管理socket读取* 2.创建客户端辅助类Bootstrap，类似于之前的SocketChannel* 3.链式编程，构造客户端流程client、option、handler* 4.handler使用的是ChannelInitializer<SocketChannel>* 结束：优雅的关闭资源*/
public class Client {public static void main(String[] args) {new Client().connect("localhost", 8088);}
​/*** 连接服务端ip：port* @param ip 服务端地址* @param port 服务端端口*/public void connect(String ip, int port) {// 1.创建EventLoopGroup管理socket读取EventLoopGroup group =new NioEventLoopGroup();try {// 2.创建客户端辅助类Bootstrap，类似于之前的SocketChannelBootstrap client = new Bootstrap();// 3.链式编程，构造客户端流程client、option、handlerclient.group(group).channel(NioSocketChannel.class).option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {@Overrideprotected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {socketChannel.pipeline().addLast(new ClientHandler());}});
​// 发起异步连接操作ChannelFuture channelFuture = client.connect(ip, port).sync();
​// 等待服务端链路关闭channelFuture.channel().closeFuture().sync();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {// 优雅退出，释放资源group.shutdownGracefully();}}
​/*** 4.handler使用的是ChannelInitializer<SocketChannel>*/public class ClientHandler extends ChannelHandlerAdapter {@Overridepublic 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("client receive server send:" + body);channelActive(ctx);}
​@Overridepublic void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {Scanner scanner = new Scanner(System.in);System.out.println("请输入");String clientIn = scanner.nextLine();ByteBuf firstMessage = Unpooled.buffer(clientIn.getBytes().length);firstMessage.writeBytes(clientIn.getBytes());System.out.println("client send:" + clientIn);ctx.writeAndFlush(firstMessage);}@Overridepublic void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {ctx.close();}}
}

运行结果：

总结

不难看出，不管是流程步骤还是实现功能的代码行数，Netty NIO都是优于Java原生NIO的。到此，一个简单的NIO入门示例完成。

资料参考：《Netty权威指南》

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