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Netty网络框架

2022年11月09日 21:46:06服务端14

Netty网络框架

Netty是一个异步的基于事件驱动的网络框架。

为什么要使用Netty而不直接使用JAVA中的NIO

1.Netty支持三种IO模型同时支持三种Reactor模式。

2.Netty支持很多应用层的协议,提供了很多decoder和encoder。

3.Netty能够解决TCP长连接所带来的缺陷(粘包、半包等)

4.Netty提供了应用层的KeepAlive机制。

5.Netty规避了JAVA NIO中的很多BUG,性能更好。


Netty启动服务端

1.创建bossGroup和workerGroup(bossGroup负责接收连接,workerGroup负责处理连接的读写就绪事件)

2.创建ServerBootstrap服务端启动对象,并且调用group()方法传入刚刚创建的bossGroup和workerGroup。

3.调用ServerBootstrap的channel()方法,配置父Channel,一般为NioServerSocketChannel。

4.调用ServerBootstrap的childHandler()方法,配置子Channel与ChannelHandler之间的关系,传入ChannelInitializer实现类,实现initChannel()方法,方法中获取Channel的ChannelPileline,然后往ChannelPipeline中添加ChannelHandler。

5.调用ServerBootstrap的option()方法给父Channel配置参数。

6.调用ServerBootstrap的childOption()方法给子Channel配置参数。

7.绑定端口,启动服务。

private void start() {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
        serverBootstrap
                .group(bossGroup, workerGroup)
                .channel(NioServerSocketChannel.class) // 配置父Channel
                .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 配置子Channel与ChannelHandler之间的关系
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) {
                        // 往ChannelPipeline中添加ChannelHandler
                        socketChannel.pipeline().addLast(
                                new HttpRequestDecoder(),
                                new HttpObjectAggregator(65535),
                                new HttpResponseEncoder(),
                                new HttpServerHandler()
                        );
                    }
                })
                .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 给父Channel配置参数
                .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true); // 给子Channel配置参数

        try {
            // 绑定端口,启动服务
            System.out.println("start server and bind 8888 port ...");
            serverBootstrap.bind(8888).sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            bossGroup.shutdownGracefully();
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

Netty启动客户端

1.创建workerGroup,负责处理连接的读写就绪事件。

2.创建Bootstrap客户端启动对象,并且调用group()方法传入刚刚创建的workerGroup。

3.调用Bootstrap的channel()方法,配置父Channel,一般为NioSocketChannel。

4.调用Bootstrap的option()方法,给父Channel配置参数。

5.调用Bootstrap的handler()方法,配置父Channel与ChannelHandler之间的关系。

6.连接服务器。

private void start() {
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

        Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
        bootstrap.group(workerGroup)
                .channel(NioSocketChannel.class) // 配置父Channel
                .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) // 给父Channel配置参数
                .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 配置父Channel与ChannelHandler之间的关系
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
                        socketChannel.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
                    }
                });
                
        try {
            bootstrap.connect(new InetSocketAddress(8888)).sync(); // 连接服务器
        } catch (InterruptedException e) {
            workerGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

ChannelInBoundHandler接口声明了事件的处理方法

channelActive():一个新的Channel激活后将会调用该方法

handlerAdd():当往Channel的ChannelPipeline中添加ChannelHandler时调用该方法

handlerRemove():当移除ChannelPipeline中的ChannelHandler时调用该方法

channelRead():当Channel有数据可读时调用该方法

exceptionCaught():当在处理事件发生异常时调用该方法

ServerSocketChannel每接收到一个新的连接时都会调用ChannelInitializer的initChannel()方法,初始化Channel与ChannelHandler之间的关系,最后调用ChannelHandler的handlerAdd()和channelActive()方法。

关于ChannelPipeline

ChannelPipeline底层使用双向链表。

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记

当Channel有数据可读时,会沿着链表从前往后寻找有IN性质的Handler进行处理。

当Channel写入数据时,会沿着链表从后往前寻找有OUT性质的Handler进行处理。

关于write()和flush()方法

graph TB; S1[Channel的write方法] --将数据写入到缓冲区--> buffer[缓冲区]; S2[Channel的flush方法] --发送缓冲区中的数据并清空--> buffer[缓冲区]; buffer --发送--> S3[SocketChannel];
write():将数据写入到缓冲区
flush():发送缓冲区中的数据并进行清空
writeAndFlush():将数据写入到缓冲区,同时发送缓冲区中的数据并进行清空

Channel的writeAndFlush()和flush()方法会从链表的最后一个节点开始从后往前寻找有OUT性质的Handler进行处理。

ChannelHandlerContext的writeAndFlush()和flush()方法会从当前节点从后往前寻找有OUT性质的Handler进行处理。

关于写就绪事件

当Channel可以往缓冲区写入数据时,将会触发写就绪事件,所以一般是不会去监听Channel的写就绪事件,否则将会一直触发。

当Channel无法写入数据时,也就是缓冲区已经满了,那么此时可以将Channel注册到Selector当中并且向Selector传递要监听此Channel的写就绪事件,然后再执行flush()方法发送缓冲区中的数据并进行清空,那么将会触发写就绪事件,然后再进行相应的处理,当处理完写就绪事件之后,需要从Selector当中剔除对此Channel写就绪事件的监听。

为什么说Netty中的所有操作都是异步的

Channel中的所有任务都会放入到其绑定的EventLoop的任务队列中,然后等待被EventLoop中的线程处理。

关于ChannelFuture

由于Netty中的所有操作都是异步的,因此一般会返回ChannelFuture对象,用于存储Channel异步执行的结果。

当创建ChannelFuture实例时,isDone()方法返回false,仅当ChannelFuture被设置成成功或者失败时,isDone()方法才返回true。

可以往ChannelFuture中添加ChannelFutureListener,当任务被执行完毕后由任务线程自动进行调用。


Netty中的ByteBuf

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记

ByteBuf有readerIndex和writerIndex两个指针,默认都为0,当进行写操作时移动writerIndex指针,读操作时移动readerIndex指针。

可读容量 = writerIndex - readerIndex

*只有read()/write()方法才会移动指针,get()/set()方法不会移动指针。

*ByteBuf支持动态扩容。

ByteBuf的创建和管理

使用ByteBufAllocator来创建和管理ByteBuf,其分别提供PooledByteBufAllocator和UnpooledByteBufAllocator实现类,分别代表池化和非池化。

*Netty同时也提供了Pooled和Unpooled工具类来创建和管理ByteBuf。

池化的ByteBuf(Pooled)

每次使用时都从池中取出一个ByteBuf对象,当使用完毕后再放回到池中。

每个ByteBuf都有一个refCount属性,仅当refCount属性为0时才将ByteBuf对象放回到池中。

ByteBuf的release()方法可以使refCount属性减1(一般由最后一个访问ByteBuf的Handler进行处理)

非池化的ByteBuf(Unpooled)

每次使用时都创建一个新的ByteBuf对象。

使用池化ByteBuf的风险

如果每次使用ByteBuf后却不进行释放,那么有可能对象池不断的创建ByteBuf,最终导致发生内存泄漏,而非池化的ByteBuf对能够依赖JVM自动进行回收。

关于堆外的ByteBuf

池化和非池化的ByteBufAllocator中都可以创建堆外的ByteBuf对象。

堆外的ByteBuf可以避免在进行文件的读写以及网络传输时数据从堆内内存复制到操作系统内存的过程。


Netty支持的IO模型

Netty支持BIO、NIO、AIO三种IO模型。

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记

*其中AIO模型只在Netty的5.x版本有提供,但不建议使用,因为Netty不再维护同时也废除了5.x版本,其原因是在Linux中AIO比NIO强不了多少。

Netty如何切换IO模型

只需要将EventLoopGroup和ServerSocketChannel换成相应IO模型的API即可。


Netty中使用Reactor模式

Reactor单线程模式

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup(1);

Reactor多线程模式

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup();

*默认CPU核数 x 2个EventLoop。

主从Reactor多线程模式

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();

关于TCP的粘包和半包

粘包(多个数据包被合并成一个进行发送)

graph LR; data1[ABC] --> compact[ABCDEF]; data2[DEF] --> compact; compact --send--> net[网络]

半包(一个数据包被拆分成多个进行发送)

graph LR; data1[ABCDEF] --> part1[ABC]; data1 --> part2[DEF]; part1 --send--> net1[网络]; part2 --send--> net2[网络];

发生粘包的原因

1.写入的数据远小于缓冲区的大小,TCP协议为了性能的考虑,合并后再进行发送。

发生半包的原因

1.写入的数据大于缓冲区的大小,因此必须拆包后再进行传输(缓冲区已满,强制flush)

2.写入的数据大于协议的MTU(最大传输单元),因此必须拆包后再进行传输。

TCP长连接的缺陷

Netty网络框架 _ JavaClub全栈架构师技术笔记

长连接中可以发送多个请求,同时TCP协议是流式协议,消息无边界,所以有一个很棘手的问题,接收方怎么去知道一个请求中的数据到底是哪里到哪里,以及一个请求中的数据有可能是粘包后的结果,同时多个请求中的数据有可能是半包后的结果。

解决方案

1.使用短连接,每次发送请求时都建立一个连接。

2.使用固定的长度,每个请求中的数据都使用固定的长度,接收方以接收到固定长度的数据来确定一个完整的请求数据。

3.使用指定的分隔符,每个请求中的数据的末尾都加上一个分隔符,接收方以分隔符来确定一个完整的请求数据。

4.使用特定长度的字段去存储请求数据的长度,接收方根据请求数据的长度来确定一个完整的请求数据。

Netty对TCP长连接缺陷的解决方案

FixedLengthFrameDecoder:使用固定的长度

DelimiterBasedFrameDecoder:使用指定的分隔符

LengthFieldBasedFrameDecoder:使用特定长度的字段去存储请求数据的长度

Netty提供了使用固定的长度、使用指定的分隔符以及使用特定长度的字段去存储请求数据的长度这三种解决方案所对应的Decoder,用户只需要将该Decoder添加到Channel的ChannelPipeline当中即可。


关于TCP的KeepAlive

正常情况下双方建立连接后是不会断开的,KeepAlive就是防止连接双方中的任意一方由于意外断开而通知不到对方,导致对方一直持有连接,占用资源(发现对方不可用,断开连接)。

*建立连接需要三次握手、正常断开连接需要四次挥手。

KeepAlive有三个核心参数

net.ipv4.tcp_keepalive_timeout:连接的超时时间(默认7200s)

net.ipv4.tcp_keepalive_intvl:发送探测包的间隔(默认75s)

tnet.ipv4.cp_keepalive_probes:发送探测包的个数(默认9个)

这三个参数都是系统参数,会影响部署在机器上的所有应用。

KeepAlive的开关是在应用层开启的,只有当应用层开启了KeepAlive,KeepAlive才会生效。

java.net.Socket.setKeepAlive(boolean on);

当连接在指定时间内没有发送请求时,开启KeepAlive的一端就会向对方发送一个探测包,如果对方没有回应,则每隔指定时间发送一个探测包,总共发送指定个探测包,如果对方都没有回应则认为对方不可用,断开连接。

为什么要做应用层的KeepAlive

1.KeepAlive参数是系统参数,对于应用来说不够灵活。

2.默认检测一个不可用的连接所需要的时间太长。

怎么做应用层的KeepAlive

1.计时器

连接在指定时间内没有发送请求则认为对方不可用

2.定时任务

客户端定期向所有已经建立连接的服务端发送心跳检测,如果服务端连续没有回应指定个心跳检测,则认为对方不可用,此时客户端应该重连。

服务端定期向所有已经建立连接的客户端发送心跳检测,如果客户端连续没有回应指定个心跳检测,则认为对方不可用,此时应该断开连接。

Netty对KeepAlive的支持

Netty开启KeepAlive

Bootstrap.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true);
ServerBootstrap.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE,true);

Netty提供的KeepAlive机制

Netty提供了IdleStateHandler能够检测处于Idle状态的连接。

Idle状态类型

reader_idle:SocketChannel在指定时间内都没有数据可读

writer_idle:SocketChannel在指定时间内没有写入数据

all_idle:SocketChannel在指定时间内没有数据可读或者没有写入数据

用户只需要将IdleStateHandler添加到Channel的ChannelPipeline当中即可,当Netty检测到处于Idle状态的连接时,将会自动调用ChannelHandler的userEventTriggered()方法,用户只需要在该方法中判断Idle状态的类型,然后做出相应的处理即可。

关于HTTP的KeepAlive

HTTP的KeepAlive是对长连接和短连接的选择,并不是发现对方不可用,断开连接。

HTTP是基于请求和响应的,客户端发送请求给服务端然后等待服务端的响应,当服务端检测到请求头中包含Connection:KeepAlive时,表示客户端使用长连接,此时服务端应该保持连接,当检测到请求头中包含Connection:close时,表示客户端使用短连接,此时服务端应该主动断开连接。

TCP并不是基于请求和响应的,客户端可以发送请求给服务端,同时服务端也可以发送请求给客户端。

作者:辣鸡小篮子
来源链接:https://www.cnblogs.com/funyoung/p/11978750.html

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标签: Netty
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