1、为什么编程中建议使用netty而不是用jdk nio?

布满荆棘的人生 2022-05-28 05:13 288阅读 0赞

如果对nio了解比较透彻的话，就不会纠结这个问题了，毕竟市面上流行的中间件，如mycat ，spark都是用的nio，当然使用netty的更多，如dubbo；

我们需要知道nio的原理，同时也不必乱造轮子。

使用jdk-nio你需要掌握linux-selector原理，就是将所有的channel注册到一个selector上，selector通过轮询检测，判断这些channel是否是可用的，如 可读，可写，已连接等。如果是可用的需要进一步处理，不能用当前线程进行处理，这样会造成线程阻塞，应该使用线程池来处理。

需要熟悉jdk-nio提供的几个关键类：Selector , SocketChannel , ServerSocketChannel , FileChannel ,ByteBuffer ,SelectionKey 。完成一次调用需要用到这些对象。

需要知道网络知识：  
tcp粘包，半包  
网络闪断  
网路阻塞  
包体溢出  
包体重复发送

需要知道linux底层实现，如selector ，如何正确的关闭channel，如何退出注销selector ，如何避免selector太过于频繁。

需要知道如何让client端获得server端的返回值,然后才返回给前端，需要如何等待或在怎样作熔断机制。

需要知道对象序列化，及序列化算法。

## TCP 滑动窗体技术 ##

在tcp学习中，我们知道有个技术叫滑动窗体技术，就是接收端会向发送端发送一条消息，下次可以接受多少长度的内容，以免接收方不能接收过多的数据。

### 滑动窗口（Sliding Window） ###

TCP/UDP以及其他协议都可以完成数据的传输，从一端传输到另外一端，TCP比较出众的一点就是提供一个可靠的，流控的数据传输，所以实现起来要比其他协议复杂的多，先来看下这两个修饰词的意义：

1.  Reliability ，提供TCP的可靠性，TCP的传输要保证数据能够准确到达目的地，如果不能，需要能检测出来并且重新发送数据。
2.  Data Flow Control，提供TCP的流控特性，管理发送数据的速率，不要超过设备的承载能力

为了能够实现以上2点，TCP实现了很多细节的功能来保证数据传输，比如说 滑动窗口适应系统，超时重传机制，累计ACK等。

IP层协议属于不可靠的协议，IP层并不关系数据是否发送到了对端，TCP通过确认机制来保证数据传输的可靠性，在比较早的时候使用的是send–wait–send的模式，其实这种模式叫做stop-wait模式，发送数据方在发送数据之后会启动定时器，但是如果数据或者ACK丢失，那么定时器到期之后，收不到ACK就认为发送出现状况，要进行重传。这样就会降低了通信的效率，如下图所示，这种方式被称为 positive acknowledgment with retransmission (PAR)：  
![20160905224437961][]

可以假设一下，来优化一下PAR效率低的缺点，比如我让发送的每一个包都有一个id，接收端必须对每一个包进行确认，这样设备A一次多发送几个片段，而不必等候ACK，同时接收端也要告知它能够收多少，这样发送端发起来也有个限制，当然还需要保证顺序性，不要乱序，对于乱序的状况，我们可以允许等待一定情况下的乱序，比如说先缓存提前到的数据，然后去等待需要的数据，如果一定时间没来就DROP掉，来保证顺序性！  
![20160906072310877][]  
在TCP/IP协议栈中，滑动窗口的引入可以解决此问题，先来看从概念上数据分为哪些类

1.  Sent and Acknowledged：这些数据表示已经发送成功并已经被确认的数据  
    28~31中的bytes,这些数据其实的位置是在窗口之外，**因为窗口内顺序最低的被确认之后，要移除窗口，实际上是窗口进行合拢，同时打开接收新的带发送的数据**
2.  Send But Not Yet Acknowledged：这部分数据称为发送但没有被确认，数据被发送出去，没有收到接收端的ACK，认为并没有完成发送，这个属于窗口内的数据。
3.  Not Sent，Recipient Ready to Receive：这部分是尽快发送的数据，这部分数据已经被加载到缓存中，也就是窗口中了，等待发送，其实这个窗口是完全有接收方告知的，**接收方告知还是能够接受这些包**，所以发送方需要尽快的发送这些包
4.  Not Sent，Recipient Not Ready to Receive： 这些数据属于未发送，同时接收端也不允许发送的，因为这些数据已经超出了发送端所接收的范围

接收端也是有一个接收窗口的，类似发送端，接收端的数据有3个分类，因为接收端并不需要等待ACK所以它没有类似的接收并确认了的分类，情况如下

1.  Received and ACK Not Send to Process：这部分数据属于接收了数据但是还没有被上层的应用程序接收，也是被缓存在窗口内
2.  Received Not ACK: 已经接收并，但是还没有回复ACK，这些包可能输属于Delay ACK的范畴了
3.  Not Received：有空位，还没有被接收的数据。

对于发送方来讲，窗口内的包括两部分，就是发送窗口（已经发送了，但是没有收到ACK）；可用窗口，接收端允许发送但是没有发送的那部分称为可用窗口。

1.  Send Window ： 20个bytes 这部分值是有接收方在三次握手的时候进行通告的，同时在接收过程中也不断的通告可以发送的窗口大小，来进行适应
2.  Window Already Sent: 已经发送的数据，但是并没有收到ACK。  
    ![20160906081402924][]

### 滑动窗口原理 ###

TCP并不是每一个报文段都会回复ACK的，可能会对两个报文段发送一个ACK，也可能会对多个报文段发送1个ACK【累计ACK】，比如说发送方有1/2/3 3个报文段，先发送了2,3 两个报文段，但是接收方期望收到1报文段，这个时候2,3报文段就只能放在缓存中等待报文1的空洞被填上，如果报文1，一直不来，报文2/3也将被丢弃，如果报文1来了，那么会发送一个ACK对这3个报文进行一次确认。

举一个例子来说明一下滑动窗口的原理：

1.  假设32~45 这些数据，是上层Application发送给TCP的，TCP将其分成四个Segment来发往internet
2.  seg1 32~34 seg3 35~36 seg3 37~41 seg4 42~45 这四个片段，依次发送出去，此时假设接收端之接收到了seg1 seg2 seg4
3.  此时接收端的行为是回复一个ACK包说明已经接收到了32~36的数据，并将seg4进行缓存（保证顺序，产生一个保存seg3 的hole）
4.  发送端收到ACK之后，就会将32~36的数据包从发送并没有确认切到发送已经确认，提出窗口，这个时候窗口向右移动
5.  假设接收端通告的Window Size仍然不变，此时窗口右移，产生一些新的空位，这些是接收端允许发送的范畴
6.  对于丢失的seg3，如果超过一定时间，TCP就会重新传送（重传机制），重传成功会seg3 seg4一块被确认，不成功，seg4也将被丢弃

不断重复着上述的过程，随着窗口不断滑动，将真个数据流发送到接收端，实际上接收端的Window Size通告也是会变化的，接收端根据这个值来确定何时及发送多少数据，从对数据流进行流控。原理图如下图所示：  
![20160906084353705][]  
滑动窗口动态调整  
主要是根据接收端的接收情况，动态去调整Window Size，然后来控制发送端的数据流量

客户端不断快速发送数据，服务器接收相对较慢，看下实验的结果

a. 包175，发送ACK携带WIN = 384，告知客户端，现在只能接收384个字节

b. 包176，客户端果真只发送了384个字节，Wireshark也比较智能，也宣告TCP Window Full

c. 包177，服务器回复一个ACK，并通告窗口为0，说明接收方已经收到所有数据，并保存到缓冲区，但是这个时候应用程序并没有接收这些数据，导致缓冲区没有更多的空间，故通告窗口为0, 这也就是所谓的零窗口，零窗口期间，发送方停止发送数据

d. 客户端察觉到窗口为0，则不再发送数据给接收方

e. 包178，接收方发送一个窗口通告，告知发送方已经有接收数据的能力了，可以发送数据包了

f. 包179，收到窗口通告之后，就发送缓冲区内的数据了.

总结一点，就是接收端可以根据自己的状况通告窗口大小，从而控制发送端的接收，进行流量控制。

## TCP为什么会发生粘包问题呢？ ##

其实就是滑动窗体的大小决定的，如果可用窗体较大，那就可以装下多个tcp请求的信息(粘包)；如果可用窗体较小，就有可能发生对一个tcp的请求信息进行拆包。

由于tcp不能理解应用层(http/..)的业务数据，所以tcp无法保证数据不被拆包或粘包。这只能由业务层对其解决。  
常见的解决方法：  
1、业务数据定长，不足用空格填充，缺点是业务数据比设定的数据更长。  
2、特定字符分割，如回车健。  
3、对业务数据长度进行统计，放在消息体的前4位byte中；这是通用做法。  
这些都是通过应用层的处理方法，有没有在传输控制层的解决方法呢？解决方法就是模拟应用层发送和接收消息，来解决tcp的粘包问题。

### 模拟粘包 ###

让client循环向server发送消息，业务数据因小于可用包体，发生粘包。

### LineBasedFrameDecoder如何解决粘包？ ###

其实就是运用了前面所说的第二种方法，对特定字符(\\r\\n,\\n)进行拆分处理；  
但不能处理拆包问题，因为最后一行没有出现(\\r\\n,\\n)就到达可用包体尾部。  
如果最后一行没有出现(\\r\\n,\\n)，LineBasedFrameDecoder会抛出异常。  
LineBasedFrameDecoder 一般和StringDecoder配合使用，LineBasedFrameDecoder负责对拆分，StringDecoder把一行数据转换为字符串，方便后面使用，也可不用StringDecoder，使用ByteBuf对象。

### 自定义分隔符 ###

在netty包io.netty.handler.codec中，定义了许多\*\*Decoder，其中DelimiterBasedFrameDecoder就是提供自定义分割符的Decoder，使用如下：

public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
        ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer("$_" .getBytes());
        ch.pipeline()
             .addLast( new DelimiterBasedFrameDecoder(1024,delimiter));
             //1024 如果达到1024byte还没有找到风格符，抛出异常。
        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
        ch.pipeline().addLast(new EchoServerHandler());
    }

### 为什么不需要处理拆包或半包问题？ ###

拆包或半包是由于滑动窗体的长度不够装下完整的业务数据，但是在下一次接收的时候会保证之后的业务数据，直到所有的业务数据被接收完成，所以无需作特别的处理。

### FixedLengthFrameDecoder定长解码 ###

如下使用：

channel.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(10));

缺点是如果业务数据比定长还长，解码会有问题。

### LengthFieldBasedFrameDecoder ###

大多数的协议（私有或者公有），协议头中会携带长度字段，用于标识消息体或者整包消息的长度，例如SMPP、HTTP协议等。由于基于长度解码需求的通用性，Netty提供了LengthFieldBasedFrameDecoder，自动屏蔽TCP底层的拆包和粘 包问题，只需要传入正确的参数，即可轻松解决“读半包“问题。

public LengthFieldBasedFrameDecoder
        (ByteOrder byteOrder, int maxFrameLength, int lengthFieldOffset, 
        int lengthFieldLength, int lengthAdjustment,  int initialBytesToStrip, 
        boolean failFast) {
            ...
    }

byteOrder：表示字节流表示的数据是大端还是小端，用于长度域的读取；默认是“BIG\_ENDIAN” ，//LITTLE\_ENDIAN

maxFrameLength：表示的是包的最大长度，超出包的最大长度netty将会做一些特殊处理；

lengthFieldOffset：指的是长度域的偏移量，表示跳过指定长度个字节之后的才是业务数据长度域；如果有header的话需要做考虑。

**lengthFieldLength**：用来记录该帧数据长度的字段本身的长度；  
如

.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(65536, 0, 4, 0, 0))

lengthAdjustment：该字段加长度字段等于数据帧的长度，包体长度调整的大小，长度域的数值表示的长度加上这个修正值表示的就是带header的包；

initialBytesToStrip：从数据帧中跳过的字节数，表示获取完一个完整的数据包之后，忽略前面的指定的位数个字节，应用解码器拿到的就是不带长度域的数据包；

failFast：如果为true，则表示读取到长度域，TA的值的超过maxFrameLength，就抛出一个 TooLongFrameException，而为false表示只有当真正读取完长度域的值表示的字节之后，才会抛出 TooLongFrameException，默认情况下设置为true，建议不要修改，否则可能会造成内存溢出。

LengthFieldBasedFrameDecoder定义了一个长度的字段来表示消息的长度，因此能够处理可变长度的消息。将消息分为消息头和消息体，消息头固定位置增加一个表示长度的字段，通过长度字段来获取整包的信息。LengthFieldBasedFrameDecoder继承了ByteToMessageDecoder，即转换字节这样的工作是由ByteToMessageDecoder来完成，而LengthFieldBasedFrameDecoder只用安心完成他的解码工作就好。Netty在解耦和方面确实做的不错。

### 对象为什么要序列化？ ###

从java中的对象深复制中，得到了启示，将一个持久化对象转换为一个内存对象。  
如果不序列化，就不能恢复对象了么？其实不是，持久化对象的实质是一个二进制数组。序列化只是程序上作为标示，表明这个对象在序列化和反序列化还需要做一些什么样的补充。

java序列化的缺点：  
1、压缩耗费时间长  
2、压缩后数组较大

使用数组+对象流可以知道jdk序列化后的数组大小。  
序列化过程的实质是对象变为流的过程。

我们通常以为将Java对象序列化成二进制比序列化成XML或Json更快，其实是错误的，如果你关心性能，建议避免Java序列化。

Java序列化有很多的要求，最主要的一个是包含能够序列化任何东西（或至少任何实现Serializable接口）。这样才能进入其他JVM之中，这很重要，所以有时性能不是主要的要求，标准的格式才最重要。  
Ordr代码：

public class Order implements Serializable \{  
private long id;  
private String description;  
private BigDecimal totalCost = BigDecimal.valueOf(0);  
private List orderLines = new ArrayList();  
private Customer customer;

我们经常看到CPU花费很多时间内进行Java序列化，下面我们研究一下，假设一定Order，虽然只有几个字节，但是序列化以后不是几十个字节，而是600多个字节：  
序列化输出：

—-sr–model.Order—-h\#—–J–idL–customert–Lmodel/Customer;L–descriptiont–Ljava/lang/String;L–orderLinest–Ljava/util/List;L–totalCostt–Ljava/math/BigDecimal;xp——–ppsr–java.util.ArrayListx—–a—-I–sizexp—-w—–sr–model.OrderLine–&-1-S—-I–lineNumberL–costq-~–L–descriptionq-~–L–ordert–Lmodel/Order;xp—-sr–java.math.BigDecimalT–W–(O—I–scaleL–intValt–Ljava/math/BigInteger;xr–java.lang.Number———–xp—-sr–java.math.BigInteger—–;—–I–bitCountI–bitLengthI–firstNonzeroByteNumI–lowestSetBitI–signum\[–magnitudet–\[Bxq-~———————-ur–\[B——T—-xp—-xxpq-~–xq-~–

正如你可能已经注意到，Java序列化写入不仅是完整的类名，也包含整个类的定义，包含所有被引用的类。类定义可以是相当大的，也许构成了性能和效率的问题，当然这是编写一个单一的对象。如果您正在编写了大量相同的类的对象，这时类定义的开销通常不是一个大问题。另一件事情是，如果你的对象有一类的引用（如元数据对象），那么Java序列化将写入整个类的定义，不只是类的名称，因此，使用Java序列化写出元数据（meta-data）是非常昂贵的。

Externalizable  
通过实现Externalizable接口，这是可能优化Java序列化的。实现此接口，避免写出整个类定义，只是类名被写入。它需要你实施readExternal和writeExternal方法方法的，所以需要做一些工作，但相比仅仅是实现Serializable更快，更高效。

Externalizable对小数目对象有效的多。但是对大量对象，或者重复对象，则效率低，必须重写readExternal和writeExternal方法来知道那些属性是需要被记录的。  
序列化输出：

—-sr–model.Order—\*3–^—xpw———psr–java.math.BigDecimalT–W–(O—I–scaleL–intValt–Ljava/math/BigInteger;xr–java.lang.Number———–xp—-sr–java.math.BigInteger—–;—–I–bitCountI–bitLengthI–firstNonzeroByteNumI–lowestSetBitI–signum\[–magnitudet–\[Bxq-~———————-ur–\[B——T—-xp—-xxpsr–java.util.ArrayListx—–a—-I–sizexp—-w—–sr–model.OrderLine-!!|—S—xpw—–pq-~–q-~–xxx  
参考：[https://blog.csdn.net/caomiao2006/article/details/51588927][https_blog.csdn.net_caomiao2006_article_details_51588927]

序列化成XML或JSON可以允许其他语言访问，可以实现REST服务等。缺点是文本格式的效率比优化的二进制格式低一些。

Kryo  
Kryo 是一种快速，高效的序列化的Java框架。 KRYO是新的BSD许可下一个开源项目提供。这是一个很小的项目，只有3名成员，它首先在2009年出品。

工作原理类似于Java序列化KRYO，尊重瞬态字段，但不要求一类是可序列化的。KRYO有一定的局限性，比如需要有一个默认的构造函数的类，在序列化将java.sql.Time java.sql.Date java.sql.Timestamp类会遇到一些问题。

order序列化结果：

——java-util-ArrayLis—–model-OrderLin—-java-math-BigDecima———model-Orde—–

[20160905224437961]: /images/20220528/d52c93284c1b438a8bdd808d458c35aa.png
[20160906072310877]: /images/20220528/acda7dc745cb4577bef90659ae0fc21d.png
[20160906081402924]: /images/20220528/ae59dbe4ff4e47b791de40104ad6585b.png
[20160906084353705]: /images/20220528/a115e328789a4e14b6f166fa079196f6.png
[https_blog.csdn.net_caomiao2006_article_details_51588927]: https://blog.csdn.net/caomiao2006/article/details/51588927