netty原理和使用场景（Netty基础介绍使用场景）

netty简介

Netty 对 JDK 自带的 NIO 的 API 进行了良好的封装，解决了如客户端面临断线重连、 网络闪断、心跳处理、半包读写、 网络拥塞和异常流的处理等等问题。且Netty拥有高性能、 吞吐量更高，延迟更低，减少资源消耗，最小化不必要的内存复制等优点。Netty 现在都在用的是4.x，5.x版本已经废弃，Netty 4.x 需要JDK 6以上版本支持。

Netty的使用场景

1）互联网行业：在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的 RPC 框架必不可少，Netty 作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些 RPC 框架使用。典型的应用有：阿里分布式服务框架 Dubbo 的RPC 框架使用 Dubbo 协议进行节点间通信，Dubbo 协议默认使用 Netty 作为基础通信组件，用于实现。各进程节点之间的内部通信。Rocketmq底层也是用的Netty作为基础通信组件。

2）游戏行业：无论是手游服务端还是大型的网络游戏，Java 语言得到了越来越广泛的应用。Netty 作为高性能的基础通信组件，它本身提供了 TCP/UDP 和 HTTP 协议栈。

3）大数据领域：经典的 Hadoop 的高性能通信和序列化组件 Avro 的 RPC 框架，默认采用 Netty 进行跨界点通信，它的 Netty Service 基于 Netty 框架二次封装实现。

netty相关开源项目：https://netty.io/wiki/related-projects.html

Netty示例

Netty示例idea中代码结构：

示例代码结构

pom文件中添加Netty的maven依赖：

<dependency> <groupId>io.netty</groupId> <artifactId>netty-all</artifactId> <version>4.1.35.Final</version> </dependency>

Netty服务端示例代码：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap; 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; public class NettyServer { public static void main(String[] args) throws exception { // 创建两个线程组bossGroup和workerGroup, 含有的子线程NioEventLoop的个数默认为cpu核数的两倍 // bossGroup只是处理连接请求 ,真正的和客户端业务处理，会交给workerGroup完成 EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(3); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(8); try { // 创建服务器端的启动对象 ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); // 使用链式编程来配置参数 Bootstrap.group(bossGroup, workerGroup) //设置两个线程组 // 使用NioServerSocketChannel作为服务器的通道实现 .channel(NioServerSocketChannel.class) // 初始化服务器连接队列大小，服务端处理客户端连接请求是顺序处理的,所以同一时间只能处理一个客户端连接。 // 多个客户端同时来的时候,服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024) .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//创建通道初始化对象，设置初始化参数，在 SocketChannel 建立起来之前执行 @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { //对workerGroup的SocketChannel设置处理器，Handler示例见下面 ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler()); } }); System.out.println("netty server start。。"); // 绑定一个端口并且同步, 生成了一个ChannelFuture异步对象，通过isDone()等方法可以判断异步事件的执行情况 // 启动服务器(并绑定端口)，bind是异步操作，sync方法是等待异步操作执行完毕 ChannelFuture cf = bootstrap.bind(9000).sync(); // 给cf注册监听器，监听我们关心的事件 cf.addListener(new ChannelFutureListener() { @Override public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception { if (cf.isSuccess()) { System.out.println("监听端口9000成功"); } else { System.out.println("监听端口9000失败"); } } }); // 等待服务端监听端口关闭，closeFuture是异步操作 // 通过sync方法同步等待通道关闭处理完毕，这里会阻塞等待通道关闭完成，内部调用的是Object的wait()方法 cf.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } } }

import io.netty.buffer.ByteBuf; import io.netty.buffer.Unpooled; import io.netty.channel.ChannelHandlerContext; import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter; import io.netty.util.CharsetUtil; /** * 自定义Handler需要继承netty规定好的某个HandlerAdapter(规范) */ public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { /** * 当客户端连接服务器完成就会触发该方法 * * @param ctx * @throws Exception */ @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) { System.out.println("客户端连接通道建立完成"); } /** * 读取客户端发送的数据 * * @param ctx 上下文对象, 含有通道channel，管道pipeline * @param msg 就是客户端发送的数据 * @throws Exception */ @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) { //Channel channel = ctx.channel(); //ChannelPipeline pipeline = ctx.pipeline(); //本质是一个双向链接, 出站入站 //将 msg 转成一个 ByteBuf，类似NIO 的 ByteBuffer ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; System.out.println("收到客户端的消息:" buf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); } /** * 数据读取完毕处理方法 * * @param ctx * @throws Exception */ @Override public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) { ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloClient".getBytes(CharsetUtil.UTF_8)); ctx.writeAndFlush(buf); } /** * 处理异常, 一般是需要关闭通道 * * @param ctx * @param cause * @throws Exception */ @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { ctx.close(); } }

Netty客户端示例代码：

import io.netty.bootstrap.Bootstrap; import io.netty.channel.ChannelFuture; import io.netty.channel.ChannelInitializer; import io.netty.channel.EventLoopGroup; import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup; import io.netty.channel.socket.SocketChannel; import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel; public class NettyClient { public static void main(String[] args) throws Exception { //客户端需要一个事件循环组 EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup(); try { //创建客户端启动对象 //注意客户端使用的不是ServerBootstrap而是Bootstrap Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); //设置相关参数 bootstrap.group(group) //设置线程组 .channel(NioSocketChannel.class) // 使用NioSocketChannel作为客户端的通道实现 .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { @Override protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { //加入处理器，Handler代码见下面 ch.pipeline().addLast(new NettyClientHandler()); } }); System.out.println("netty client start。。"); //启动客户端去连接服务器端 ChannelFuture cf = bootstrap.connect("127.0.0.1", 9000).sync(); //对通道关闭进行监听 cf.channel().closeFuture().sync(); } finally { group.shutdownGracefully(); } } }

import io.netty.buffer.ByteBuf; import io.netty.buffer.Unpooled; import io.netty.channel.ChannelHandlerContext; import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter; import io.netty.util.CharsetUtil; public class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { /** * 当客户端连接服务器完成就会触发该方法 * * @param ctx * @throws Exception */ @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) { ByteBuf buf = Unpooled.copiedBuffer("HelloServer".getBytes(CharsetUtil.UTF_8)); ctx.writeAndFlush(buf); } //当通道有读取事件时会触发，即服务端发送数据给客户端 @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) { ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; System.out.println("收到服务端的消息:" buf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); } @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) { cause.printStackTrace(); ctx.close(); } }

Netty线程模型

Netty的线程模型如下图所示：

线程模型

模型解释：

1) Netty 抽象出两组线程池BossGroup和WorkerGroup，BossGroup专门负责接收客户端的连接, WorkerGroup专门负责网络的读写

2) BossGroup和WorkerGroup类型都是NioEventLoopGroup

3) NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环线程组, 这个组中含有多个事件循环线程 ， 每一个事件循环线程是NioEventLoop

4) 每个NioEventLoop都有一个selector , 用于监听注册在其上的socketChannel的网络通讯

5) 每个Boss NioEventLoop线程内部循环执行的步骤有 3 步：

处理accept事件 , 与client 建立连接 , 生成 NioSocketChannel

将NioSocketChannel注册到某个worker NIOEventLoop上的selector

处理任务队列的任务 ， 即runAllTasks

6) 每个worker NIOEventLoop线程循环执行的步骤：

轮询注册到自己selector上的所有NioSocketChannel 的read, write事件

处理 I/O 事件， 即read , write 事件， 在对应NioSocketChannel 处理业务

runAllTasks处理任务队列TaskQueue的任务 ，一些耗时的业务处理一般可以放入

TaskQueue中慢慢处理，这样不影响数据在 pipeline 中的流动处理

7) 每个worker NIOEventLoop处理NioSocketChannel业务时，会使用 pipeline (管道)，管道中维护了很多 handler处理器用来处理 channel 中的数据

Netty模块组件

【Bootstrap、ServerBootstrap】：

Bootstrap 意思是引导，一个 Netty 应用通常由一个 Bootstrap 开始，主要作用是配置整个 Netty 程序，串联各个组件，Netty 中 Bootstrap 类是客户端程序的启动引导类，ServerBootstrap 是服务端启动引导类。

【Future、ChannelFuture】：

正如前面介绍，在 Netty 中所有的 IO 操作都是异步的，不能立刻得知消息是否被正确处理。但是可以过一会等它执行完成或者直接注册一个监听，具体的实现就是通过 Future 和 ChannelFutures，他们可以注册一个监听，当操作执行成功或失败时监听会自动触发注册的监听事件。

【Channel】：

Netty 网络通信的组件，能够用于执行网络 I/O 操作。Channel 为用户提供：

1）当前网络连接的通道的状态（例如是否打开？是否已连接？）

2）网络连接的配置参数 （例如接收缓冲区大小）

3）提供异步的网络 I/O 操作(如建立连接，读写，绑定端口)，异步调用意味着任何 I/O 调用都将立即返回，并且不保证在调用结束时所请求的 I/O 操作已完成。

4）调用立即返回一个 ChannelFuture 实例，通过注册监听器到 ChannelFuture 上，可以 I/O 操作成功、失败或取消时回调通知调用方。

5）支持关联 I/O 操作与对应的处理程序。

不同协议、不同的阻塞类型的连接都有不同的 Channel 类型与之对应。

下面是一些常用的 Channel 类型：

• NioSocketChannel，异步的客户端 TCP Socket 连接。
• NioServerSocketChannel，异步的服务器端 TCP Socket 连接。
• NioDatagramChannel，异步的 UDP 连接。
• NioSctpChannel，异步的客户端 Sctp 连接。
• NioSctpServerChannel，异步的 Sctp 服务器端连接。
• 这些通道涵盖了 UDP 和 TCP 网络 IO 以及文件 IO。

【Selector】：

Netty 基于 Selector 对象实现 I/O 多路复用，通过 Selector 一个线程可以监听多个连接的 Channel 事件。当向一个 Selector 中注册 Channel 后，Selector 内部的机制就可以自动不断地查询(Select) 这些注册的 Channel 是否有已就绪的 I/O 事件（例如可读，可写，网络连接完成等），这样程序就可以很简单地使用一个线程高效地管理多个 Channel 。

【NioEventLoop】：

NioEventLoop 中维护了一个线程和任务队列，支持异步提交执行任务，线程启动时会调用 NioEventLoop 的 run 方法，执行 I/O 任务和非 I/O 任务：

I/O 任务，即 selectionKey 中 ready 的事件，如 accept、connect、read、write 等，由 processSelectedKeys 方法触发。

非 IO 任务，添加到 taskQueue 中的任务，如 register0、bind0 等任务，由 runAllTasks 方法触发。

【NioEventLoopGroup】：

NioEventLoopGroup，主要管理 eventLoop 的生命周期，可以理解为一个线程池，内部维护了一组线程，每个线程(NioEventLoop)负责处理多个 Channel 上的事件，而一个 Channel 只对应于一个线程。

【ChannelHandler】：

ChannelHandler 是一个接口，处理 I/O 事件或拦截 I/O 操作，并将其转发到其 ChannelPipeline(业务处理链)中的下一个处理程序。

ChannelHandler 本身并没有提供很多方法，因为这个接口有许多的方法需要实现，方便使用期间，可以继承它的子类：

• ChannelInboundHandler 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandler 用于处理出站 I/O 操作。

或者使用以下适配器类：

• ChannelInboundHandlerAdapter 用于处理入站 I/O 事件。
• ChannelOutboundHandlerAdapter 用于处理出站 I/O 操作。

【ChannelHandlerContext】：

保存 Channel 相关的所有上下文信息，同时关联一个 ChannelHandler 对象。

【ChannelPipline】：

保存 ChannelHandler 的 List，用于处理或拦截 Channel 的入站事件和出站操作。ChannelPipeline 实现了一种高级形式的拦截过滤器模式，使用户可以完全控制事件的处理方式，以及 Channel 中各个的 ChannelHandler 如何相互交互。

在 Netty 中每个 Channel 都有且仅有一个 ChannelPipeline 与之对应，它们的组成关系如下图：

ChannelPipeline

一个 Channel 包含了一个 ChannelPipeline，而 ChannelPipeline 中又维护了一个由 ChannelHandlerContext 组成的双向链表，并且每个 ChannelHandlerContext 中又关联着一个 ChannelHandler。read事件(入站事件)和write事件(出站事件)在一个双向链表中，入站事件会从链表 head 往后传递到最后一个入站的handler，出站事件会从链表 tail 往前传递到最前一个出站的 handler，两种类型的 handler 互不干扰。

ByteBuf详解

从结构上来说，ByteBuf 由一串字节数组构成。数组中每个字节用来存放信息。ByteBuf 提供了两个索引，一个用于读取数据，一个用于写入数据。这两个索引通过在字节数组中移动，来定位需要读或者写信息的位置。当从 ByteBuf 读取时，它的 readerIndex（读索引）将会根据读取的字节数递增。同样，当写 ByteBuf 时，它的 writerIndex 也会根据写入的字节数进行递增。

需要注意的是极限的情况是 readerIndex 刚好读到了 writerIndex 写入的地方。如果 readerIndex 超过了 writerIndex 的时候，Netty 会抛出 IndexOutOf-BoundsException 异常。

声明

本文来自于图灵学院课堂讲义。

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