Netty笔记01-Netty的基本概念与用法

文章目录

  • 1. 概述
    • 1.1 Netty 是什么?
    • 1.2 Netty 的特点
    • 1.3 Netty 的作者
    • 1.4 Netty 的地位
    • 1.5 Netty 的优势
    • 1.6 Netty 的工作原理
    • 1.7 Netty 的应用场景
    • 1.8 Netty 的重要组件
  • 2. 第一个程序
    • 2.1 目标
    • 2.2 服务器端
    • 2.3 客户端
    • 2.4 流程梳理
    • 💡 提示


1. 概述

1.1 Netty 是什么?

Netty is an asynchronous event-driven network application framework
for rapid development of maintainable high performance protocol servers & clients.
Netty 是一个异步的、基于事件驱动的网络应用框架,用于快速开发可维护、高性能的网络服务器和客户端。

Netty 提供了一套简洁的 API 来帮助开发者处理各种网络通信任务,支持多种传输协议,包括 TCP、UDP、文件传输等,并且能够很好地适配各种操作系统。

1.2 Netty 的特点

  1. 异步非阻塞:Netty 使用异步非阻塞 I/O 模型,可以处理大量的并发连接,非常适合构建高性能的服务器和客户端应用程序。
  2. 高度模块化:Netty 的架构设计非常灵活,采用了责任链模式(ChannelPipeline)来处理入站和出站的数据流,使得开发者可以轻松地添加自己的处理逻辑。
  3. 事件驱动:Netty 通过 EventLoop 来处理 I/O 事件,可以高效地处理大量的并发连接。
  4. 高并发:Netty 能够高效地处理成千上万的并发连接,非常适合构建大规模的分布式系统。
  5. 跨平台:Netty 支持多种操作系统,并且能够根据不同的操作系统选择最佳的 I/O 模型,例如在 Linux 系统上可以使用更高效的 Epoll 模型。
  6. 广泛的协议支持:Netty 支持多种协议,包括 HTTP、WebSocket、SMTP、FTP、Mysql 等,并且提供了丰富的编解码工具。
  7. 易于扩展:Netty 的设计考虑到了可扩展性,开发者可以根据需要轻松地扩展框架的功能。

1.3 Netty 的作者

在这里插入图片描述
他还是另一个著名网络应用框架 Mina 的重要贡献者

1.4 Netty 的地位

Netty 在 Java 网络应用框架中的地位就好比:Spring 框架在 JavaEE 开发中的地位
以下的框架都使用了 Netty,因为它们有网络通信需求!

  • Cassandra - nosql 数据库
  • Spark - 大数据分布式计算框架
  • Hadoop - 大数据分布式存储框架
  • RocketMQ - ali 开源的消息队列
  • ElasticSearch - 搜索引擎
  • gRPC - rpc 框架
  • Dubbo - rpc 框架
  • Spring 5.x - flux api 完全抛弃了 tomcat ,使用 netty 作为服务器端
  • Zookeeper - 分布式协调框架

1.5 Netty 的优势

性能:Netty 的异步非阻塞 I/O 模型使其能够处理大量的并发连接,非常适合高并发场景。
易用性:Netty 提供了一套简洁的 API,使得开发者可以快速地开发网络应用程序。
社区支持:Netty 拥有一个活跃的社区,提供了丰富的文档和支持。

  • Netty vs NIO,NIO工作量大,bug 多
    • 需要自己构建协议
    • 解决 TCP 传输问题,如粘包、半包
    • epoll 空轮询导致 CPU 100%
    • 对 API 进行增强,使之更易用,如 FastThreadLocal => ThreadLocal,ByteBuf => ByteBuffer
  • Netty vs 其它网络应用框架
    • Mina 由 apache 维护,将来 3.x 版本可能会有较大重构,破坏 API 向下兼容性,Netty 的开发迭代更迅速,API 更简洁、文档更优秀
    • 久经考验,16年,Netty 版本
      • 2.x 2004
      • 3.x 2008
      • 4.x 2013
      • 5.x 已废弃(没有明显的性能提升,维护成本高)

1.6 Netty 的工作原理

Netty 的工作原理主要包括以下几个方面:

  1. 创建 Channel:当启动一个 Netty 应用程序时,会创建一个或多个 Channel。
    • 如果是服务器,则创建一个 ServerChannel(如 NioServerSocketChannel),用于监听连接;
    • 如果是客户端,则创建一个 ClientChannel(如 NioSocketChannel),用于发起连接。
  2. 注册到 EventLoop:每个 Channel 都会注册到一个 EventLoop 上,EventLoop 负责监听该 Channel 上的 I/O 事件。
  3. 事件处理:当 Channel 上有 I/O 事件发生时,EventLoop 会调用 ChannelPipeline 中的 ChannelHandler 来处理这些事件。
  4. 任务执行:除了处理 I/O 事件之外,EventLoop 还可以执行与 Channel 相关的任务,如用户提交的业务逻辑任务。

1.7 Netty 的应用场景

Netty 被广泛应用于多种领域,包括但不限于:

  • Web 服务器:构建高性能的 HTTP 服务器。
  • 游戏服务器:处理大量的玩家连接和游戏数据交换。
  • 即时通讯系统:构建高并发的聊天应用。
  • 分布式系统:作为基础的通信框架,支撑大规模的分布式系统。
  • 大数据处理:用于处理大规模的数据流。
  • IoT 应用:处理来自物联网大量设备的数据。

1.8 Netty 的重要组件

  • EventLoop:负责处理 I/O 事件,并执行与 Channel 相关联的任务。
  • EventLoopGroup:管理一组 EventLoop 实例,为 Channel 提供一个或多个 EventLoop 供其使用。
  • Channel:代表一个网络连接,用于进行数据的读取和写入操作。
  • ChannelFuture:代表一个异步操作的结果。ChannelFuture 提供了对异步操作完成状态的检查方法。
  • ChannelPipeline:用于处理入站和出站的数据流,是一个责任链模式的实现。
  • ChannelHandler:处理具体的业务逻辑,例如解码、编码、业务逻辑处理等。
  • ByteBuf:用于存储和操作二进制数据的缓冲区。ByteBuf 提供了高效的数据读写操作。
  • Bootstrap:用于创建新的 Channel,配置 Channel 的参数和初始化 ChannelPipeline。

2. 第一个程序

2.1 目标

开发一个简单的服务器端和客户端

  • 客户端向服务器端发送 hello, world
  • 服务器仅接收,不返回

加入依赖

<dependency><groupId>io.netty</groupId><artifactId>netty-all</artifactId><version>4.1.39.Final</version>
</dependency>

2.2 服务器端

new ServerBootstrap().group(new NioEventLoopGroup()) // 1.channel(NioServerSocketChannel.class) // 2.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() { // 3protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); // 5ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() { // 6@Overrideprotected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {System.out.println(msg);}});}}).bind(8080); // 4

代码解读

  • 1 处,创建 NioEventLoopGroup,可以简单理解为 线程池 + Selector 后面会详细展开
  • 2 处,选择服务 Scoket 实现类,其中 NioServerSocketChannel 表示基于 NIO 的服务器端实现,其它实现还有
    在这里插入图片描述
  • 3 处,为啥方法叫 childHandler,是接下来添加的处理器都是给 SocketChannel 用的,而不是给 ServerSocketChannel。ChannelInitializer 处理器(仅执行一次),它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后,执行 initChannel 以便添加更多的处理器
  • 4 处,ServerSocketChannel 绑定的监听端口
  • 5 处,SocketChannel 的处理器,解码 ByteBuf => String
  • 6 处,SocketChannel 的业务处理器,使用上一个处理器的处理结果

完整代码

public class HelloServer {public static void main(String[] args) {// 1. 启动器,负责组装 netty 组件,启动服务器new ServerBootstrap()// 2. BossEventLoop, WorkerEventLoop(selector,thread),表示通过group加入了一个EventLoop的组//EventLoopGroup内部使用线程和选择器不断循环监听是否有新的事件.group(new NioEventLoopGroup())//一开始监听accept事件,由其中的一个EventLoop进行处理accept事件//当接受到客户端发送的数据时,触发read事件,由某个EventLoop处理,交给initChannel()中配置的处理器,从上到下进行处理// 3. 选择服务器的ServerSocketChannel实现,NioServerSocketChannel相当于对ServerSocketChannel做了封装.channel(NioServerSocketChannel.class) // 还支持OIO(OioServerSocketChannel),其实就是BIO// 4. boss 负责处理连接,worker(child) 负责处理读写,// childHandler决定了 worker(child) 能执行哪些操作/业务(handler)//注意这里只是添加了handler,并没有执行,initChannel()只有在连接建立后才会执行.childHandler(// 5. channel 代表和客户端进行数据读写的通道,Initializer 初始化,负责添加别的 handlernew ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {//连接建立后,调用该初始化方法(initChannel())//当客户端连接后(触发了accept事件),运行initChannel()内代码@Overrideprotected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {// 添加具体 handlerch.pipeline().addLast(new LoggingHandler());ch.pipeline().addLast(new StringDecoder()); // 负责解码的ChannelHandler,将ByteBuf转换为字符串ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() { // 自定义 handler@Override // 读事件public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx,Object msg) throws Exception {System.out.println(msg); // 打印上一步(new StringDecoder())转换好的字符串}});}})// 6. 绑定监听端口.bind(8080);}
}

2.3 客户端

new Bootstrap().group(new NioEventLoopGroup()) // 1.channel(NioSocketChannel.class) // 2.handler(new ChannelInitializer<Channel>() { // 3@Overrideprotected void initChannel(Channel ch) {ch.pipeline().addLast(new StringEncoder()); // 8}}).connect("127.0.0.1", 8080) // 4.sync() // 5.channel() // 6.writeAndFlush(new Date() + ": hello world!"); // 7

代码解读

  • 1 处,创建 NioEventLoopGroup,同 Server
  • 2 处,选择客户 Socket 实现类,NioSocketChannel 表示基于 NIO 的客户端实现,其它实现还有
    在这里插入图片描述
  • 3 处,添加 SocketChannel 的处理器,ChannelInitializer 处理器(仅执行一次),它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后,执行 initChannel 以便添加更多的处理器
  • 4 处,指定要连接的服务器和端口
  • 5 处,Netty 中很多方法都是异步的,如 connect,这时需要使用 sync 方法等待 connect 建立连接完毕
  • 6 处,获取 channel 对象,它即为通道抽象,可以进行数据读写操作
  • 7 处,写入消息并清空缓冲区
  • 8 处,消息会经过通道 handler 处理,这里是将 String => ByteBuf 发出
  • 数据经过网络传输,到达服务器端,服务器端 5 和 6 处的 handler 先后被触发,走完一个流程
public class HelloClient {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 1. 启动类,启动客户端new Bootstrap()// 2. 添加 EventLoop.group(new NioEventLoopGroup())//如果服务器端发来数据,客户端的EventLoop就可以从selector触发读事件进行处理// 3. 选择客户端 channel 实现,底层封装了SocketChannel.channel(NioSocketChannel.class)// 4. 添加处理器.handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {@Override // 在连接建立后被调用protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());//编码器,将字符串编码成ByteBuf进行发送}})// 5. 连接到服务器.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)).sync()//sync()是一个阻塞方法,只有连接建立后才会继续执行.channel()//.channel()表示拿到服务器和客户端之间的SocketChannel(连接对象)// 6. 向服务器发送数据.writeAndFlush("hello, world");}
}

2.4 流程梳理

在这里插入图片描述
凡是收发数据都要走handler
客户端和服务器在连接建立后调用初始化方法(initChannel()方法),调用完初始化方法会将处理器(Handler)加载好,下次发送数据时直接使用处理器。

💡 提示

一开始需要树立正确的观念
把 channel 理解为数据的通道

把 msg 理解为流动的数据,最开始输入是 ByteBuf,但经过 pipeline 的加工,会变成其它类型对象,最后输出又变成 ByteBuf

把 handler 理解为数据的处理工序

  • 工序有多道,合在一起就是 pipeline,pipeline 负责发布事件(读、读取完成…)传播给每个 handler, handler 对自己感兴趣的事件进行处理(重写了相应事件处理方法)
  • handler 分 Inbound 和 Outbound 两类

把 eventLoop 理解为处理数据的工人

  • 工人可以管理多个 channel 的 io 操作,并且一旦工人负责了某个 channel,就要负责到底(eventLoop绑定channel)
  • 工人既可以执行 io 操作,也可以进行任务处理,每位工人有任务队列,队列里可以堆放多个 channel 的待处理任务,任务分为普通任务、定时任务(eventLoop底层使用了线程池,只不过是单线程的线程池)
  • 工人按照 pipeline 顺序,依次按照 handler 的规划(代码)处理数据,可以为每道工序指定不同的工人

可以理解为Handler就是一道道工序,对接受的原式数据进行加工处理
EventLoop内部是有一个selector,EventLoop通过多路复用可以管理多个channel的IO操作。


后续文章:
Netty笔记02-组件EventLoop
Netty笔记03-组件Channel
Netty笔记04-组件Future & Promise
Netty笔记05-组件Handler & Pipeline

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