Netty入门教程——认识Netty

末蓝、 2021-11-14 13:14 415阅读 1赞

# Netty入门教程——认识Netty #

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Netty

### 什么是Netty？ ###

> Netty 是一个利用 Java 的高级网络的能力，隐藏其背后的复杂性而提供一个易于使用的 API 的客户端/服务器框架。  
> Netty 是一个广泛使用的 Java 网络编程框架（Netty 在 2011 年获得了Duke's Choice Award，见[https://www.java.net/dukeschoice/2011][https_www.java.net_dukeschoice_2011]）。它活跃和成长于用户社区，像大型公司 Facebook 和 Instagram 以及流行 开源项目如 Infinispan, HornetQ, Vert.x, Apache Cassandra 和 Elasticsearch 等，都利用其强大的对于网络抽象的核心代码。

*以上是摘自[《Essential Netty In Action》][Essential Netty In Action]这本书，本文的内容也是本人读了这本书之后的一些整理心得，如有不当之处欢迎大虾们指正*

### Netty和Tomcat有什么区别？ ###

Netty和Tomcat最大的区别就在于通信协议，Tomcat是基于Http协议的，他的实质是一个基于http协议的web容器，但是Netty不一样，他能通过编程自定义各种协议，因为netty能够通过codec自己来编码/解码字节流，完成类似redis访问的功能，这就是netty和tomcat最大的不同。

*有人说netty的性能就一定比tomcat性能高，其实不然，tomcat从6.x开始就支持了nio模式，并且后续还有APR模式——一种通过jni调用apache网络库的模式，相比于旧的bio模式，并发性能得到了很大提高，特别是APR模式，而netty是否比tomcat性能更高，则要取决于netty程序作者的技术实力了。*

### 为什么Netty受欢迎？ ###

如第一部分所述，netty是一款收到大公司青睐的框架，在我看来，netty能够受到青睐的原因有三：

1.  **并发高**
2.  **传输快**
3.  **封装好**

### Netty为什么并发高 ###

Netty是一款基于NIO（Nonblocking I/O，非阻塞IO）开发的网络通信框架，对比于BIO（Blocking I/O，阻塞IO），他的并发性能得到了很大提高，两张图让你了解BIO和NIO的区别：

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTU0NmE1NjNjOTgyMmNlMTYucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NDgvZm9ybWF0L3dlYnA][]

阻塞IO的通信方式

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTllZWJlNzgxZmJhNDk1ZmQucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NzIvZm9ybWF0L3dlYnA][]

非阻塞IO的通信方式

从这两图可以看出，NIO的单线程能处理连接的数量比BIO要高出很多，而为什么单线程能处理更多的连接呢？原因就是图二中出现的`Selector`。  
当一个连接建立之后，他有两个步骤要做，第一步是接收完客户端发过来的全部数据，第二步是服务端处理完请求业务之后返回response给客户端。NIO和BIO的区别主要是在第一步。  
在BIO中，等待客户端发数据这个过程是阻塞的，这样就造成了一个线程只能处理一个请求的情况，而机器能支持的最大线程数是有限的，这就是为什么BIO不能支持高并发的原因。  
而NIO中，当一个Socket建立好之后，Thread并不会阻塞去接受这个Socket，而是将这个请求交给Selector，Selector会不断的去遍历所有的Socket，一旦有一个Socket建立完成，他会通知Thread，然后Thread处理完数据再返回给客户端——*这个过程是阻塞的*，这样就能让一个Thread处理更多的请求了。  
下面两张图是基于BIO的处理流程和netty的处理流程，辅助你理解两种方式的差别：

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BIO的处理流程

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTc4ODE0Y2JiM2FjYzMwYmQucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81MjUvZm9ybWF0L3dlYnA][]

NIO的处理流程

除了BIO和NIO之外，还有一些其他的IO模型，下面这张图就表示了五种IO模型的处理流程：

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTZmZjI0MGMzOTAwZTBhYWEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy82MTQvZm9ybWF0L3dlYnA][]

五种常见的IO模型

*  BIO，同步阻塞IO，阻塞整个步骤，如果连接少，他的延迟是最低的，因为一个线程只处理一个连接，适用于少连接且延迟低的场景，比如说数据库连接。
 *  NIO，同步非阻塞IO，阻塞业务处理但不阻塞数据接收，适用于高并发且处理简单的场景，比如聊天软件。
 *  多路复用IO，他的两个步骤处理是分开的，也就是说，一个连接可能他的数据接收是线程a完成的，数据处理是线程b完成的，他比BIO能处理更多请求，但是比不上NIO，但是他的处理性能又比BIO更差，因为一个连接他需要两次system call，而BIO只需要一次，所以这种IO模型应用的不多。
 *  信号驱动IO，这种IO模型主要用在嵌入式开发，不参与讨论。
 *  异步IO，他的数据请求和数据处理都是异步的，数据请求一次返回一次，适用于长连接的业务场景。

*以上摘自[Linux IO模式及 select、poll、epoll详解][Linux IO_ select_poll_epoll]*

### Netty为什么传输快 ###

Netty的传输快其实也是依赖了NIO的一个特性——*零拷贝*。我们知道，Java的内存有堆内存、栈内存和字符串常量池等等，其中堆内存是占用内存空间最大的一块，也是Java对象存放的地方，一般我们的数据如果需要从IO读取到堆内存，中间需要经过Socket缓冲区，也就是说一个数据会被拷贝两次才能到达他的的终点，如果数据量大，就会造成不必要的资源浪费。  
Netty针对这种情况，使用了NIO中的另一大特性——零拷贝，当他需要接收数据的时候，他会在堆内存之外开辟一块内存，数据就直接从IO读到了那块内存中去，在netty里面通过ByteBuf可以直接对这些数据进行直接操作，从而加快了传输速度。  
下两图就介绍了两种拷贝方式的区别，摘自[Linux 中的零拷贝技术，第 1 部分][Linux _ 1]

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTAxNGM5ZTA3ZDU2ZTRiZTUucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy80ODEvZm9ybWF0L3dlYnA][]

传统数据拷贝

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTUwZTVhYTVlZWM3ZTg2Y2MucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NTQvZm9ybWF0L3dlYnA][]

零拷贝

上文介绍的ByteBuf是Netty的一个重要概念，他是netty数据处理的容器，也是Netty封装好的一个重要体现，将在下一部分做详细介绍。

### 为什么说Netty封装好？ ###

要说Netty为什么封装好，这种用文字是说不清的，直接上代码：

*  阻塞I/O

public class PlainOioServer {
    
        public void serve(int port) throws IOException {
            final ServerSocket socket = new ServerSocket(port);     //1
            try {
                for (;;) {
                    final Socket clientSocket = socket.accept();    //2
                    System.out.println("Accepted connection from " + clientSocket);
    
                    new Thread(new Runnable() {                        //3
                        @Override
                        public void run() {
                            OutputStream out;
                            try {
                                out = clientSocket.getOutputStream();
                                out.write("Hi!\r\n".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));                            //4
                                out.flush();
                                clientSocket.close();                //5
    
                            } catch (IOException e) {
                                e.printStackTrace();
                                try {
                                    clientSocket.close();
                                } catch (IOException ex) {
                                    // ignore on close
                                }
                            }
                        }
                    }).start();                                        //6
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

*  非阻塞IO

public class PlainNioServer {
        public void serve(int port) throws IOException {
            ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
            serverChannel.configureBlocking(false);
            ServerSocket ss = serverChannel.socket();
            InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
            ss.bind(address);                                            //1
            Selector selector = Selector.open();                        //2
            serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);    //3
            final ByteBuffer msg = ByteBuffer.wrap("Hi!\r\n".getBytes());
            for (;;) {
                try {
                    selector.select();                                    //4
                } catch (IOException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                    // handle exception
                    break;
                }
                Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();    //5
                Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    try {
                        if (key.isAcceptable()) {                //6
                            ServerSocketChannel server =
                                    (ServerSocketChannel)key.channel();
                            SocketChannel client = server.accept();
                            client.configureBlocking(false);
                            client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE |
                                    SelectionKey.OP_READ, msg.duplicate());    //7
                            System.out.println(
                                    "Accepted connection from " + client);
                        }
                        if (key.isWritable()) {                //8
                            SocketChannel client =
                                    (SocketChannel)key.channel();
                            ByteBuffer buffer =
                                    (ByteBuffer)key.attachment();
                            while (buffer.hasRemaining()) {
                                if (client.write(buffer) == 0) {        //9
                                    break;
                                }
                            }
                            client.close();                    //10
                        }
                    } catch (IOException ex) {
                        key.cancel();
                        try {
                            key.channel().close();
                        } catch (IOException cex) {
                            // 在关闭时忽略
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

*  Netty

public class NettyOioServer {
    
        public void server(int port) throws Exception {
            final ByteBuf buf = Unpooled.unreleasableBuffer(
                    Unpooled.copiedBuffer("Hi!\r\n", Charset.forName("UTF-8")));
            EventLoopGroup group = new OioEventLoopGroup();
            try {
                ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();        //1
    
                b.group(group)                                    //2
                 .channel(OioServerSocketChannel.class)
                 .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                 .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {//3
                     @Override
                     public void initChannel(SocketChannel ch) 
                         throws Exception {
                         ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {            //4
                             @Override
                             public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
                                 ctx.writeAndFlush(buf.duplicate()).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);//5
                             }
                         });
                     }
                 });
                ChannelFuture f = b.bind().sync();  //6
                f.channel().closeFuture().sync();
            } finally {
                group.shutdownGracefully().sync();        //7
            }
        }
    }

从代码量上来看，Netty就已经秒杀传统Socket编程了，但是这一部分博大精深，仅仅贴几个代码岂能说明问题，在这里给大家介绍一下Netty的一些重要概念，让大家更理解Netty。

*  Channel  
    数据传输流，与channel相关的概念有以下四个，上一张图让你了解netty里面的Channel。
    
     
    
    ![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LWFmZDllMTQxOTdlMWVmMTEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy83NTEvZm9ybWF0L3dlYnA][]
    
    Channel一览
    
     *  Channel，表示一个连接，可以理解为每一个请求，就是一个Channel。
     *  **ChannelHandler**，核心处理业务就在这里，用于处理业务请求。
     *  ChannelHandlerContext，用于传输业务数据。
     *  ChannelPipeline，用于保存处理过程需要用到的ChannelHandler和ChannelHandlerContext。
 *  ByteBuf  
    ByteBuf是一个存储字节的容器，最大特点就是**使用方便**，它既有自己的读索引和写索引，方便你对整段字节缓存进行读写，也支持get/set，方便你对其中每一个字节进行读写，他的数据结构如下图所示：

![aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LWIxZWM2NzdmMjUzYjY5MmEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NTgvZm9ybWF0L3dlYnA][]

ByteBuf数据结构

他有三种使用模式：

1.  Heap Buffer 堆缓冲区  
    堆缓冲区是ByteBuf最常用的模式，他将数据存储在堆空间。
2.  Direct Buffer 直接缓冲区  
    直接缓冲区是ByteBuf的另外一种常用模式，他的内存分配都不发生在堆，jdk1.4引入的nio的ByteBuffer类允许jvm通过本地方法调用分配内存，这样做有两个好处
    
     *  通过免去中间交换的内存拷贝, 提升IO处理速度; 直接缓冲区的内容可以驻留在垃圾回收扫描的堆区以外。
     *  DirectBuffer 在 -XX:MaxDirectMemorySize=xxM大小限制下, 使用 Heap 之外的内存, GC对此”无能为力”,也就意味着规避了在高负载下频繁的GC过程对应用线程的中断影响.
3.  Composite Buffer 复合缓冲区  
    复合缓冲区相当于多个不同ByteBuf的视图，这是netty提供的，jdk不提供这样的功能。

除此之外，他还提供一大堆api方便你使用，在这里我就不一一列出了，具体参见[ByteBuf字节缓存][ByteBuf]。

*  Codec  
    Netty中的编码/解码器，通过他你能完成字节与pojo、pojo与pojo的相互转换，从而达到自定义协议的目的。  
    在Netty里面最有名的就是HttpRequestDecoder和HttpResponseEncoder了。

[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LWZjMjg0YWFmNWI1MTc3NmUucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy8zMTMvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/4f95f6be3d214e99b527471d52187fcf.png
[https_www.java.net_dukeschoice_2011]: https://www.java.net/dukeschoice/2011
[Essential Netty In Action]: https://waylau.gitbooks.io/essential-netty-in-action/content/GETTING%20STARTED/Asynchronous%20and%20Event%20Driven.html
[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTU0NmE1NjNjOTgyMmNlMTYucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NDgvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/41cc4d34c4a04fa8be05f6e0c4857621.png
[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTllZWJlNzgxZmJhNDk1ZmQucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81NzIvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/7e788439ca8c4b508a57e8cda3586010.png
[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTYzNzdmZDQ3MjU2OTcwZWYucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81ODQvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/5c863cc680314579850263a6b53e38db.png
[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTc4ODE0Y2JiM2FjYzMwYmQucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy81MjUvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/bbe350095e384701bfbb14b6fb6db0de.png
[aHR0cHM6Ly91cGxvYWQtaW1hZ2VzLmppYW5zaHUuaW8vdXBsb2FkX2ltYWdlcy8xMDg5NDQ5LTZmZjI0MGMzOTAwZTBhYWEucG5nP2ltYWdlTW9ncjIvYXV0by1vcmllbnQvc3RyaXAlN0NpbWFnZVZpZXcyLzIvdy82MTQvZm9ybWF0L3dlYnA]: /images/20211114/e67fb24153eb45cf98a1c91fb4a5b33e.png
[Linux IO_ select_poll_epoll]: https://segmentfault.com/a/1190000003063859
[Linux _ 1]: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-zerocopy1/index.html
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[ByteBuf]: https://waylau.gitbooks.io/essential-netty-in-action/content/CORE%20FUNCTIONS/Buffers.html