“超越极限 - 如何使用 Netty 高效处理大型数据?“ - 掌握 Netty 技巧,轻松应对海量数据处理!

简介: 本文介绍了Netty中大型数据写入与序列化技术的实现方法。在大型数据写入方面,通过FileRegion接口和零拷贝技术优化文件传输效率,避免内存耗尽风险。同时,ChunkedWriteHandler支持异步写入大型数据流,减少内存消耗。关于序列化,文章探讨了JDK标准序列化、JBoss Marshalling及Google Protocol Buffers三种方式,分别适用于不同场景需求。最后总结指出,Netty提供的编解码器和ChannelHandler组件经过实践验证,具备高度灵活性与稳定性,可广泛应用于各类系统开发中。

本文已收录在Github关注我,紧跟本系列专栏文章,咱们下篇再续!

  • 🚀 魔都架构师 | 全网30W技术追随者
  • 🔧 大厂分布式系统/数据中台实战专家
  • 🏆 主导交易系统百万级流量调优 & 车联网平台架构
  • 🧠 AIGC应用开发先行者 | 区块链落地实践者
  • 🌍 以技术驱动创新,我们的征途是改变世界!
  • 👉 实战干货:编程严选网

1 写大型数据

因为网络饱和的可能性,如何在异步框架中高效地写大块的数据是特殊问题。由于写操作是非阻塞的,所以即使没有写出所有的数据,写操作也会在完成时返回并通知 ChannelFuture。当这种情况发生时,如果仍然不停地写入,就有内存耗尽的风险。所以在写大型数据时,需要准备好处理到远程节点的连接是慢速连接的情况,这种情况会导致内存释放的延迟。

考虑下将一个文件内容写出到网络。讨论传输(见 4.2 节)的过程中,提到 NIO 的零拷贝,这消除了将文件内容从文件系统移动到网络栈的复制过程。所有的这一切都发生在 Netty 的核心中,所以应用程序所有需要做的就是使用FileRegion接口实现,其在 Netty 的 API 文档中的定义是: “通过支持零拷贝的文件传输的 Channel 来发送的文件区域。”

如下展示如何通过从FileInputStream创建一个DefaultFileRegion,并将其写入Channel(甚至可利用 io.netty.channel.ChannelProgressivePromise实时获取传输的进度),利用零拷贝传输一个文件的内容。

package io.netty.example.cp11;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
/**
 * 使用 FileRegion 传输文件的内容
 */
public class FileRegionWriteHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    private static final Channel CHANNEL_FROM_SOMEWHERE = new NioSocketChannel();
    private static final File FILE_FROM_SOMEWHERE = new File("");
    @Override
    public void channelActive(final ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        File file = FILE_FROM_SOMEWHERE;
        Channel channel = CHANNEL_FROM_SOMEWHERE;
        //...
        FileInputStream in = new FileInputStream(file);
        // 以该文件的完整长度创建一个新的 DefaultFileRegion
        FileRegion region = new DefaultFileRegion(in.getChannel(), 0, file.length());
        // 发送该 DefaultFileRegion,并注册一个ChannelFutureListener
        channel.writeAndFlush(region).addListener(
                new ChannelFutureListener() {
                    @Override
                    public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                        if (!future.isSuccess()) {
                            // 处理失败
                            Throwable cause = future.cause();
                            // Do something
                        }
                    }
                });
    }
}

该示例只适用于文件内容的直接传输,不包括应用程序对数据的任何处理。在需要将数据从文件系统复制到用户内存中时,可以使用 ChunkedWriteHandler,它支持异步写大型数据流,而又不会导致大量内存消耗。

关键是 interface ChunkedInput,类型参数 B 是 readChunk()方法返回的类型。Netty 预置该接口的 4 个实现,如下表ChunkedInput的实现:

名称 描述
ChunkedFile 从文件中逐块获取数据,当你的平台不支持零拷贝或者你需要转换数据时使用
ChunkedNioFile 和 ChunkedFile 类似,只是它使用了 FileChannel
ChunkedStream 从 InputStream 中逐块传输内容
ChunkedNioStream 从 ReadableByteChannel 中逐块传输内容

每个都代表了一个将由 ChunkedWriteHandler 处理的不定长度的数据流。

代码清单 11-12 说明 ChunkedStream 用法,最常用的实现。所示类使用File及SslContext进行实例化。当initChannel()被调用,它将使用所示的 ChannelHandler 链初始化该 Channel。

ChunkedInput的实现:

名称 描述
ChunkedFile 从文件中逐块获取数据,当你的平台不支持零拷贝或者你需要转换数据时使用
ChunkedNioFile 和 ChunkedFile 类似,只是它使用了 FileChannel
ChunkedStream 从 InputStream 中逐块传输内容
ChunkedNioStream 从 ReadableByteChannel 中逐块传输内容

当 Channel 的状态变为活动的时,WriteStreamHandler 将会逐块地把来自文件中的数据作为 ChunkedStream 写入。数据在传输之前将会由 SslHandler 加密。

package io.netty.example.cp11;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.handler.ssl.SslContext;
import io.netty.handler.ssl.SslHandler;
import io.netty.handler.stream.ChunkedStream;
import io.netty.handler.stream.ChunkedWriteHandler;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
/**
 * 11.12 使用 ChunkedStream 传输文件内容
 */
public class ChunkedWriteHandlerInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    private final File file;
    private final SslContext sslCtx;
    public ChunkedWriteHandlerInitializer(File file, SslContext sslCtx) {
        this.file = file;
        this.sslCtx = sslCtx;
    }
    @Override
    protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        // 将 SslHandler 添加到ChannelPipeline
        pipeline.addLast(new SslHandler(sslCtx.newEngine(ch.alloc())));
        // 添加 ChunkedWriteHandler以处理作为ChunkedInput传入的数据
        pipeline.addLast(new ChunkedWriteHandler());
        // 一旦连接建立,WriteStreamHandler就开始写文件数据
        pipeline.addLast(new WriteStreamHandler());
    }
    public final class WriteStreamHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            // 当连接建立时,channelActive()将使用ChunkedInput写文件数据
            super.channelActive(ctx);
            ctx.writeAndFlush(new ChunkedStream(new FileInputStream(file)));
        }
    }
}

逐块输入

要使用你自己的 ChunkedInput 实现,请在 ChannelPipeline 中安装一个ChunkedWriteHandler。

本节讨论如何通过使用零拷贝特性来高效地传输文件,以及如何通过使用ChunkedWriteHandler写大型数据而又不必冒OOM风险。下一节研究几种序列化 POJO 方法。

2 序列化数据

JDK提供ObjectOutputStream/ObjectInputStream,用于通过网络对POJO的基本数据类型和图进行序列化/反序列化。可被应用于任何实现java.io.Serializable接口的对象,但性能不是非常高效。那Netty必须为此提供啥呢?

2.1 JDK序列化

若应用须要和用了ObjectOutputStream、ObjectInputStream的远程节点交互,且兼容性也最关心,则JDK序列化是正确选择,下表列出Netty提供的用于和JDK进行互操作的序列化类:

名称 描述
CompatibleObjectDecoder 和使用 JDK 序列化的非基于 Netty 的远程节点进行互操作的解码器
CompatibleObjectEncoder 和使用 JDK 序列化的非基于 Netty 的远程节点进行互操作的编码器
ObjectDecoder 构建于 JDK 序列化之上的使用自定义的序列化来解码的解码器;当没有其他的外部依赖时,它提供了速度上的改进。否则其他的序列化实现更加可取
ObjectEncoder 构建于 JDK 序列化之上的使用自定义的序列化来编码的编码器;当没有其他的外部依赖时,它提供了速度上的改进。否则其他的序列化实现更加可取

CompatibleObjectDecoder类已在Netty 3.1废弃,并不存在于Netty 4.x:https://issues.jboss.org/browse/NETTY-136

若能自由使用外部依赖,则JBoss Marshalling是理想选择:比JDK序列化最多快3倍,更紧凑。在JBoss Marshalling官网对其定义:JBoss Marshalling 是一种序列化 API,它修复 JDK 序列化 API 所发现的许多问题,同时保留与 java.io.Serializable 及其相关类兼容性,并添加几个新的可调优参数及额外特性,所有这些都能通过工厂配置(如外部序列化器、类/实例查找表、类解析以及对象替换等)实现可插拔。

2.2 使用 JBoss Marshalling 进行序列化

Netty 通过下表所示的两组解码器/编码器对为 Boss Marshalling 提供支持:

  • 第一组兼容只使用 JDK 序列化的远程节点
  • 第二组提供最大性能,适用于和使用 JBoss Marshalling 的远程节点一起使用

JBoss Marshalling编解码器:

名称 描述
CompatibleMarshallingDecoder
CompatibleMarshallingEncoder
与只使用JDK序列化的远程节点兼容
MarshallingDecoder
MarshallingEncoder
适用于使用JBoss Marshalling的节点。这些类必须一起使用

使用 MarshallingDecoder/MarshallingEncoder

几乎仅配置ChannelPipeline:

package io.netty.example.cp11;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallerProvider;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallingDecoder;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallingEncoder;
import io.netty.handler.codec.marshalling.UnmarshallerProvider;
import java.io.Serializable;
/**
 * 使用 JBoss Marshalling
 */
public class MarshallingInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    private final MarshallerProvider marshallerProvider;
    private final UnmarshallerProvider unmarshallerProvider;
    public MarshallingInitializer(UnmarshallerProvider unmarshallerProvider, MarshallerProvider marshallerProvider) {
        this.marshallerProvider = marshallerProvider;
        this.unmarshallerProvider = unmarshallerProvider;
    }
    @Override
    protected void initChannel(Channel channel) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = channel.pipeline();
        // 添加 MarshallingDecoder 以 将 ByteBuf 转换为 POJO
        pipeline.addLast(new MarshallingDecoder(unmarshallerProvider));
        // 添加 MarshallingEncoder 以将POJO 转换为 ByteBuf
        pipeline.addLast(new MarshallingEncoder(marshallerProvider));
        pipeline.addLast(new ObjectHandler());
    }
    // 添加 ObjectHandler,以处理普通的实现了Serializable 接口的 POJO
    public static final class ObjectHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Serializable> {
        @Override
        public void channelRead0(ChannelHandlerContext channelHandlerContext, Serializable serializable) throws Exception {
            // Do something
        }
    }
}

2.3 通过 Protocol Buffers 序列化

Netty序列化的最后一个解决方案是利用Protocol Buffers(https://protobuf.dev/)的编解码器,由Google开发、现已开源的数据交换格式。可在https://github.com/google/protobuf找到源代码。Protocol Buffers 以紧凑高效方式对结构化的数据进行编解码。它具有许多的编程语言绑定,使得它很适合跨语言项目。表 11-10 展示Netty为支持 protobuf 所提供ChannelHandler 实现。

Protobuf编解码器:

名称 描述
ProtobufDecoder 使用 protobuf 解码消息
ProtobufEncoder 使用 protobuf 编码消息
ProtobufVarint32FrameDecoder 根据消息中的 Google Protocol Buffers 的“Base 128 Varints”整数长度字段值动态地分割所接收到的 ByteBuf
ProtobufVarint32LengthFieldPrepender 向 ByteBuf 前追加一个 Google Protocol Buffers 的“Base 128 Varints”整型的长度字段值

使用 protobuf 只不过是将正确的 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 中:

package io.netty.example.cp11;
import com.google.protobuf.MessageLite;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.handler.codec.protobuf.ProtobufDecoder;
import io.netty.handler.codec.protobuf.ProtobufEncoder;
import io.netty.handler.codec.protobuf.ProtobufVarint32FrameDecoder;
public class ProtoBufInitializer extends ChannelInitializer<Channel> {
    private final MessageLite lite;
    public ProtoBufInitializer(MessageLite lite) {
        this.lite = lite;
    }
    @Override
    protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
        // 添加 ProtobufVarint32FrameDecoder 以分隔帧
        pipeline.addLast(new ProtobufVarint32FrameDecoder());
        // 还需要在当前的 ProtobufEncoder 之前添加一个相应的 ProtobufVarint32LengthFieldPrepender 以编码进帧长度信息
        // 添加 ProtobufEncoder以处理消息的编码
        pipeline.addLast(new ProtobufEncoder());
        // 添加 ProtobufDecoder以解码消息
        pipeline.addLast(new ProtobufDecoder(lite));
        // 加 ObjectHandler 以处理解码消息
        pipeline.addLast(new ObjectHandler());
    }
    public static final class ObjectHandler extends SimpleChannelInboundHandler<Object> {
        @Override
        public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            // Do something with the object
        }
    }
}

这节探讨由 Netty 专门的解码器和编码器所支持的不同的序列化选项:标准JDK序列化、JBoss Marshalling 及 Google 的 Protocol Buffers。

3 总结

Netty 提供的编解码器以及各种 ChannelHandler 可以被组合和扩展,以实现非常广泛的处理方案。此外,它们也是被论证的、健壮的组件,已经被许多的大型系统所使用。

我们只涵盖最常见示例;Netty 的 API 文档提供了更加全面的覆盖。

后文学习另一种先进协议——WebSocket,被开发用以改进 Web 应用程序的性能以及响应性。Netty 提供你将会需要的工具,以便你快速、轻松地利用它强大的功能。

目录
相关文章
|
Java API 容器
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf
309 0
【Netty 网络通信】传统IO方式处理网络IO数据
【1月更文挑战第9天】【Netty 网络通信】传统IO方式处理网络IO数据
|
JSON 移动开发 网络协议
数据拆散与黏连:深入剖析Netty中的半包与粘包问题
数据拆散与黏连:深入剖析Netty中的半包与粘包问题
373 0
|
API 容器
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf(一)
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf
166 0
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf(一)
|
Java API
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf(二)
《跟闪电侠学Netty》阅读笔记 - 数据载体ByteBuf
246 0
|
分布式计算 网络协议 前端开发
【Netty底层数据交互源码】
【Netty底层数据交互源码】
247 0
Netty(三)之数据之粘包拆包
Netty(三)之数据之粘包拆包
168 0
Netty(三)之数据之粘包拆包
|
编解码 安全 前端开发
在netty中使用protobuf并实现数据加密传输
在netty中使用protobuf并实现数据加密传输
715 0
在netty中使用protobuf并实现数据加密传输
netty案例,netty4.1基础入门篇九《自定义编码解码器,处理半包、粘包数据》
在实际应用场景里,只要是支持sokcet通信的都可以和Netty交互,比如中继器、下位机、PLC等。这些场景下就非常需要自定义编码解码器,来处理字节码传输,并控制半包、粘包以及安全问题。那么本章节我们通过实现ByteToMessageDecoder、MessageToByteEncoder来实现我们的需求。
321 0
netty案例,netty4.1基础入门篇九《自定义编码解码器,处理半包、粘包数据》
|
网络协议
netty案例,netty4.1基础入门篇八《NettyClient半包粘包处理、编码解码处理、收发数据方式》
Netty开发中,客户端与服务端需要保持同样的;半包粘包处理,编码解码处理、收发数据方式,这样才能保证数据通信正常。在前面NettyServer的章节中我们也同样处理了;半包粘包、编码解码等,为此在本章节我们可以把这些知识模块开发到NettyClient中。本章节涉及到的知识点有;LineBasedFrameDecoder、StringDecoder、StringEncoder、ChannelInboundHandlerAdapter等。
200 0
netty案例,netty4.1基础入门篇八《NettyClient半包粘包处理、编码解码处理、收发数据方式》