Netty基础入门和基本使用-1-阿里云开发者社区

一、Netty的异步回调模式

Netty继承和扩展了JDK Future系列异步回调的API，定义了自身的Futrue系列接口和类，实现了异步任务的监控、异步执行结果的获取。总体来说Netty对Java Future异步任务的扩展如下：

继承Java的Future接口，得到了一个新的属于Netty自己的Future异步任务接口，该接口对原有接口进行了增强，使得Netty异步任务能够以非阻塞的方式处理回调的结果
引入了一个新街口——GenericFutureListener，用于表示异步执行完成的监听器。这个Netty使用了监听器的模式，异步任务的执行完成后的回调逻辑抽象成了Listener监听器接口。可以将Netty的GenericFutureListener监听器接口加入Netty异步任务Future中，实现对异步任务执行状态的事件监听

1、GenericFutureListener接口

public interface GenericFutureListener<F extends Future<?>> extends EventListener {
    // 监听器的回调方法
  void operationComplete(F var1) throws Exception;
}

GenericFutureListener拥有一个回调方法operationComplete，表示异步任务操作完成。在Future异步任务执行完成后将回调执行此方法。在大多数情况下，Netty的异步回调代码编写在GenericFutureListener接口的实现类中的operationComplete方法中。

它的父接口EventListener是一个空接口，没有任何的抽象方法，是一个仅仅具有标识作用的接口。

2、Future接口

Netty也定义了自己的Future接口，对JDK原有的Future接口进行了扩展：

public interface Future<V> extends java.util.concurrent.Future<V> {
  boolean isSuccess(); // 判断异步执行是否成功
  boolean isCancellable(); // 判断异步执行是否取消
  Throwable cause(); // 获取异步任务异常的原因
  // 增加异步任务执行完成与否的监听器
  Future<V> addListener(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener);
  // 溢出异步任务执行完成与否的监听器
  Future<V> removeListener(GenericFutureListener<? extends Future<? super V>> listener);
}

Netty的Future接口一般不会直接使用，而是会使用子接口。Netty有一系列的子接口，代表不同类型的异步任务，如ChannelFuture接口。

3、ChannelFuture的使用

在Netty的网络编程中，网络连接通道的输入和输出处理都是异步进行的，都会返回一个ChannelFuture接口的实例。通过返回的异步任务实例，可以为它增加异步回调的监听器。在异步任务真正完成后，回调才会执行。

// connect是异步的，仅提交异步任务
ChannelFuture future = bootstrap.conncect(new InetSocketAddress("www.wanning.com", 80));
// connect的异步任务真正执行完成后，future回调监听器才会执行
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
  @Override
  public void operationComplete(ChannelFuture channelFuture) throws Exception {
  if(channelFuture.isSuccess()) {
    ...
  }
  }
});

GenericFutureListener接口在Netty中是一个基础类型接口。在网络编程的异步回调中，一般使用Netty中提供的某个接口，如ChannelFutureListener接口。

二、Netty中的Reactor反应器模式

1、Channel通道组件

Channel通道主键是Netty中非常重要的主键，反应器模式和通道紧密相关，反应器的查询和分发的IO事件都来自于Channel通道组件。

Netty中不直接使用Java NIO的Channel通道组件，对Channel通道组件进行了自己的封装。在Netty中，有一系列的Channel通道组件，为了支持多种通信协议，或者说对于每一种通信连接协议，Netty都实现了自己的通道。

另外一点就是除了Java的NIO，Netty还能处理Java的面向流的OIO。总的来说Netty中每一种协议的通道，都有NIO和OIO两个版本。

NioSocketChannel：异步非阻塞TCP Socket传输通道
NioServerSocketChannel：异步非阻塞TCP Socket服务器端监听通道
NioDatagramChannel：异步非阻塞的UDP传输通道
NioSctpChannel：异步非阻塞Sctp传输通道
NioSctpServerChannel：异步非阻塞Sctp服务器端监听通道
OioSocketChannel：同步阻塞式TCP Socket传输通道
OioServerSocketChannel：同步阻塞式TCP Socket服务器端监听通道
OioDatagramChannel：同步阻塞式UDP传输通道
OioSctpChannel：同步阻塞式Sctp传输通道
OioSctpServerChannel：同步阻塞式Sctp服务器端监听通道

一般来说，服务器端编程用到最多的通信协议还是TCP协议，对应的传输通道类型是NioSocketChannel，服务器监听类为NioServerSocketChannel。在主要使用的方法上，其他的通道类型和这个NioSocketChannel类在原理上基本是相通的。在Netty的NioSocketChannel内部封装了一个Java NIO的SelectableChannel成员，通过这个内部的Java NIO通道，Netty的NioSocketChannel通道上的IO操作，最终会落地到Java NIO的SelectableChanne底层通道。

2、Reactor反应器

在反应器模式中，一个反应器会负责一个事件处理线程，不断地轮询，通过Selector选择器不断查询注册过的IO事件（选择键）。如果查询到IO事件，则分发给Handler业务处理器。

Netty中的反应器有多个实现类，与Channel通道类有关系。对应于NioSocketChannel通道，Netty的反应器类为NioEventLoop。NioEventLoop类绑定了两个重要的Java成员属性：一个是Thread线程类的成员，一个是Java NIO选择器的成员属性。

也就是说一个NioEventLoop拥有一个Thread线程，负责一个Java NIO Selector选择器的IO事件轮询。在Netty中，一个EventLoop反应器和Channel通道是一对多的关系，一个反应器可以注册成千上万的通道。

3、Handler处理器

Java NIO可供选择器监控的通道IO事件类型包括以下4种：

可读：SelectionKey.OP_READ
可写：SelectionKey.OP_WRITE
连接：SelectionKey.OP_CONNECT
接收：SelectionKey.OP_ACCEPT

在Netty中，EventLoop反应器内部有一个Java NIO选择器成员执行以上事件的查询，然后进行对应的事件分发。事件分发的目标就是Netty自己的Handler处理器。

**Netty的Handler处理器分为两大类，第一类是ChannelInboundHandler通道入站处理器，第二类ChannelOutboundHandler通道出站处理器。二者都继承了ChannelHandler处理器接口。**Netty中的入站处理，不仅仅是OP_READ输入事件的处理，还是从通道底层触发，由Netty通过层层传递，调用ChannelInboundHandler通道入站处理器进行的某个处理。以底层的Java NIO中的OP_READ输入事件为例：在通道中发生了OP_READ事件后会被EventLoop查询到，然后分发给ChannelInboundHandler通道入站处理器，调用它的入站处理的方法read。在ChannelInboundHandler通道入站处理器内部的read方法可以从通道中读取数据。

Netty中的入站处理，触发的方向为：从通道到ChannelInboundHandler通道入站处理器。

Netty中的出站处理，本来就包括Java NIO的OP_WRITE可写事件。不过OP_WRITE可写事件是Java NIO的底层概念，它和Netty的出站处理的概念不是一个维度的，Netty的出站处理是应用层维度的，具体指的是从ChannelOutboundHandler通道出站处理器到通道的某次IO操作。在应用程序完成业务处理后，可以通过ChannelOutboundHandler通道出站处理器将处理的结果写入底层通道，它的最常用的一个方法就是write()方法，把数据写入到通道。

这两个业务处理接口都有各自的默认实现：ChannelInboundHandler的默认实现为ChannelInboundHandlerApater，叫作通道入站处理适配器。ChannelOutboundHandler的默认实现ChannelOutboundHandlerAdapter，叫作通道出站处理适配器。这两个默认的通道处理器适配器，分别实现了入站操作和出站的基本功能。如果要实现自己的业务处理器，不需要从零开始去实现处理器的接口，只需要继承通道处理器适配器即可。

4、Netty的流水线（Pipeline）

首先梳理一下Netty反应器模式中各个组件之间的关系：

反应器和通道之间是一对多的关系，一个反应器可以查询很多个通道的IO事件
通道和Handler处理器实例之间是多对多的关系，一个通道的IO事件被多个的Handler实例处理器，一个Handler处理器实例也可以绑定到很多的通道，处理多个通道的IO事件。

问题是通道和Handler处理器实例之间的绑定关系，Netty是如何组织的呢？

Netty设计了一个特殊的组件，叫做ChannelPipeline（通道流水线），它像一条管道，将绑定到一个通道的多个Handler处理器实例，串在一起形成一条流水线。ChannelPipeline的默认实现实际上被设计成一个双向链表。所有的Handler处理器实例被包装成了双向链表的节点，被加入到了ChannelPipeline中。也就是说一个Netty通道拥有一条Handler处理器流水线，成员的名称叫作pipeline。

以入站处理为例，每一个来自通道的IO事件，都会进入一次ChannelPipeline通道流水线，在进入第一个Handler处理器后，这个IO事件将按照既定的从前往后次序，在流水线上不断地向后流动，流向一个Handler处理器。在向后流动的过程中，会出现3种情况：

如果后面还有其他Handler入站处理器，那么IO事件可以交给下一个Handler处理器向后流动
如果后面没有其他的入站处理器，就意味着这个IO事件在此次流水线中的处理结束了
如果在流水线中间需要终止流动，可以选择不将IO事件交给下一个Handler处理器，流水线的执行也就被终止了

总之流水线是通道的大管家，为通道管理好了它的一大堆Handler。

三、Bootstrap启动器类

Bootstrap类是Netty提供的一个便利的工厂类，可以通过它来完成Netty的客户端或服务器端的Netty组件的组装以及Netty程序的初始化。当然我们也可以不用这个Bootstrap启动器，但是一点点去手动创建通道、完成各种设置和启动、并且注册到EventLoop，这个过程会非常麻烦。

在Netty中有两个启动器类，分别用在服务器和客户端，这两个启动器仅仅是使用的地方不同，它们大致的配置和使用方法都是相同的。

1、父子通道

在Netty中每一个NioSocketChannel通道所封装的是Java NIO通道，再往下就对应到操作系统底层的socket描述符。理论上来说，操作系统底层的socket描述符分为两类：连接监听类型和传输数据类型。在Netty中，异步非阻塞的服务器端监听通道NioServerSocketChannel，封装在Linux底层的描述符，是连接监听类型的socket描述符。而NioSocketChannel异步非阻塞TCP Socket传输通道，封装在底层Linux的描述符，是数据传输类型的socket描述符。

在Netty中，NioServerSocketChannel负责服务器连接监听和接收，也叫父通道。对于每一个接收到的NioSocketChannel传输类通道，也叫子通道。

2、EventLoopGroup线程组

Netty的Reactor反应器模式是多线程版本的反应器模式，在Netty中，一个EventLoop相当于一个子反应器，一个NioEventLoop子反应器拥有了一个线程，同时拥有一个Java NIO选择器。多个EventLoop线程组成一个EventLoopGroup线程组。

反过来说，Netty的EventLoopGroup线程组就是一个多线程版本的反应器。Netty的程序开发不会直接使用单个EventLoop线程，而是使用EventLoopGroup线程组。EventLoopGroup的构造函数有一个参数，用于指定内部的线程数。在构造器初始化时，会按照传入的线程数量，在内部构造多个Thread线程和多个EventLoop子反应器，进行多线程的IO时间查询和分发。如果使用无参构造函数或传入线程数为0，那么默认EventLoopGroup内部线程数为最大可用CPU处理器数量的两倍。

在服务器端一般有两个独立的反应器，一个负责新连接的监听和接收，一个负责IO事件处理。对应到Netty服务器程序中则是设置两个EventLoopGroup线程组。负责新连接的监听和接受的线程组查询父通道的IO事件，称为Boss线程组。另一个线程组负责查询所有子通道的IO事件，并且执行Handler处理器中的业务处理，例如数据的输入和输出，称为Worker线程组。

3、Bootstrap启动流程

1.创建反应器线程组，并赋值给ServerBootstrap启动器实例

通过NioEventLoopGroup创建两个线程组
通过bootstrap.group配置线程组，可以只配置一个反应器线程组，这种模式下连接监听IO事件和数据传输IO事件在同一个线程中处理，会导致连接的接受被更加耗时的数据传输或业务处理所阻塞

2.设置通道的IO类型

Netty不止支持Java NIO，也支持OIO，因此需要进行配置
通过bootstrap.channel()方法，传入通道的class类文件，如bootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class)

3.设置监听端口：bootstrap.localAddress(new InetSocketAddress(port))

4.设置传输通道的配置选项：bootstrap.option用于给父通道接收连接通道设置一些选项，bootstrap.childOption设置子通道设置一些通道选项

bootstrap.option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)：开启心跳机制
bootstrap.option(ChannelOption.SO_ALLOCATOR, PooledByteBufAllocator.DEFAULT)

5.装配子通道的Pipeline流水线：装配子通道的Handler流水线调用childHandler()方法，传递一个ChannelInitializer通道初始化类的实例。在父通道成功接收一个连接，并创建成功一个子通道后，就会初始化子通道，这里配置的ChannelInitializer实例就会被调用

在ChannelInitializer通道初始化类的事例中，有一个initChannel初始化方法，在子通道创建后被执行到，向子通道流水线增加业务处理器
也可以调用handler为付通道设置ChannelInitializer初始化器，但是父通道接受新连接后除了初始化子通道一般不需要特别的配置

// 裝配子通道流水綫
 bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
     // 有连接到达时会创建一个通道的子通道，并初始化
     protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
    // 流水线管理子通道中的Handler业务处理器
    // 向子通道流水线添加一个Handler业务处理器
    ch.pipeline().addLast(new NettyDiscardHandler());
  }
 });

6.开始绑定服务器连接的监听端口

开始绑定端口，通过调用sync同步方法阻塞直到绑定成功：bootstrap.bind().sync()
bind返回一个端口绑定Netty的异步任务channelFuture，在Netty中所有的IO操作都是异步执行的，可以通过自我阻塞一直到ChannelFuture异步任务执行完成或者为ChannelFuture增加事件监听器的两种方式以获得Netty中的IO操作的真正结果

7.自我阻塞，直到通道关闭

channelFuture.channel().closeFuture().sync()
如果要阻塞当前线程直到通道关闭，可以使用通道的closeFuture方法，以获取通道关闭的异步任务，当通道被关闭时，closeFuture实例的sync方法会返回

8.关闭EventLoopGroup

loopGroup.shutdownGracefully
关闭Reactor反应器线程组，同时会关闭内部的子反应器线程，也会关闭内部的Selector选择器、内部的轮询线程以及负责查询的所有的子通道。在子通道关闭后会释放所有的资源，如TCP Socket文件描述符等

4、ChannelOption通道选项

无论是对于NioServerSocketChannel父通道类型，还是对于NioSocketChannel子通道类型，都可以设置一系列的ChannelOption选项，在ChannelOption类中，定义了一些通道选项：

SO_RCVBUF，SO_SNDBUF：此为TCP参数，每个TCP套接字在内核中都有一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，这两个选项就是用来设置TCP连接的这两个缓冲区大小的

TCP_NODELAY：此为TCP参数，表示立即发送数据，默认值为true（Netty默认值为true，而操作系统默认值为false），该值用于设置Nagle算法的启用，该算法将小的碎片数据连接成更大的报文，来最小化所发送报文的数量。如果需要发送一些娇小的报文，则需要禁用该算法。

SO_KEEPALIVE：此为TCP参数，表示底层TCP协议的心跳机制，true为连接保持心跳，默认值为false。启用该功能时TCP会主动探测空闲连接的有效性（默认心跳间隔为7200s）。Netty默认关闭该功能

5.SO_REUSEADDR：此为TCP参数，设置为true时表示地址复用，默认值为false。由四种情况需要用到这个参数设置：

当有一个由相同本地地址和端口的socket处于TIME_WAIT状态时，而我们希望启动的程序socket2要占用该地址和端口，例如在重启服务且保持先前端口时
有多块网卡或用IP Alias技术的机器在同一端口启动多个进程，但每个进程绑定的本地IP地址不能相同
单个进程绑定相同的端口到多个socket上，但每个socket绑定的IP地址不同
完全相同的地址和端口的重复绑定，但这只用于UDP的多播，不用于TCP

5.SO_LINGER：此为TCP参数，表示关闭socket的延迟时间，默认值为-1，表示禁用该功能。-1表示socke.close方法立即返回，但操作系统底层会将发送缓冲区全部发送到对端。0表示socket.close方法立即放回，操作系统放弃发送缓冲区的数据，直接向对端发送RST包，对端收到复位错误。非0整数值表示调用socket.close方法的线程被阻塞，直到延迟时间到来、发送缓冲区的数据发送完毕，若超时，则对端会收到服务复位错误。

6.SO_BACKLOG：此为TCP参数，表示服务器端接收连接的队列长度，如果队列已满，客户端连接将被拒绝。在Windows中默认值为200，其他操作系统为128.如果连接建立频繁，服务器处理新连接较慢，可以适当调大这个参数

7.SO_BROADCAST：此为TCP参数，表示设置广播模式

四、Channel通道

1、主要成员和方法

在Netty中，通道是其中的核心概念之一，代表着网络连接。它负责同对端进行网路通信，可以写入数据到对端，也可以从对端读取数据。

通道的抽象类AbstractChannel的构造函数如下：

protected abstract Channel(Channel parent) {
    this.parent = parent; // 父通道
  id = newId();
  unsafe = newUnsafe() // 底层NIO通道，完成实际的IO操作
  pipeline = new ChannelPipeline(); // 一条通道，拥有一条流水线
}

AbstractChannel内部有一个pipeline属性，表示处理器的流水线。Netty在对通道进行初始化的时候，会将pipeline属性初始化为DefaultChannelPipeline的实例。

AbstractChannel内部有一个parent属性，表示通道的父通道。对于连接监听通道来说，其父通道为null，而对于每一个传输通道，其parent属性的值为接收到该连接的服务器连接监听通道。

几乎所有的通道实现类都继承了AbstractChannel抽象类，都拥有上面的parent和pipeline两个属性成员。

再来看一下，在通道接口中所定义的几个重要方法：

ChannelFuture connect(SocketAddress address)：连接远程服务器，方法的参数为远程服务器的地址，调用后会立即返回，返回值为负责连接操作的异步任务ChannelFuture。此方法在客户端的传输通道使用
ChannelFuture bind(SocketAddress address)：绑定监听地址，开始监听新的客户端连接，此方法在服务器的新连接监听和接收通道使用
ChannelFuture close()：关闭通道连接，返回连接关闭的ChannelFuture异步任务。如果需要在连接正式关闭后执行其他操作，则需要为异步任务设置回调方法，或者调用ChannelFuture异步任务的sync()方法来阻塞当前线程，一直等到通道关闭的异步任务执行完毕
Channel read()：读取通道数据，并且启动入站处理。具体来说从内部的Java NIO Channel通道读取数据，然后启动内部的Pipeline流水线，开始数据读取的入站处理，此方法的返回通道自身用于链式调用
ChannelFuture write(Object obj)：启程出站流水处理，把处理后的最终数据写到底层Java NIO通道。此方法的返回值为出站处理的一部处理任务。
Channel flush()：将缓冲区中的数据立即写出到对端。并不是每一次write操作都是将数据直接写出到对端，write操作的作用大部分情况下仅仅是写入到操作系统的缓冲区，操作系统会根据缓冲区的情况决定什么时候把数据写到对端，而执行flush()方法立即将缓冲区的数据写到对端。

2、EmbeddedChannel嵌入式通道

在Netty的实际开发中，通信的基础工作已经由Netty完成了。实际上大量的工作时设计和开发ChannelHandler通道业务处理器，而不是开发Outbound出站处理器，换句话就是开发Inbound入站处理器。开发完成之后需要投入单元测试，将Handler业务处理器加入到通道的Pipeline流水线中，然后启动Netty服务器、客户端程序，相互发送消息，测试业务处理器的效果。如果每开发一个业务处理器，都进行服务器和客户端的重复启动，那么是非常繁琐和浪费时间的。

因此Netty提供了一个专用通道EmbededChannel，它仅仅是模拟入站和出站的操作，底层不进行实际的传输，不需要启动Netty服务器和客户端。除了不进行传输之外，EmbeddedChannel的其他的事件机制和处理流程和真正的传输通道是一模一样的。因此开发人员可以在开发过程中方便快捷地进行ChannelHandler业务处理器的单元测试。具体提供的方法如下：

writeInbound：向通道写入inbound入站数据，模拟通道收到数据。也就是说这些写入的数据会被流水线上的入站处理器处理
readInbound：从EmbeddedChannel中读取入站数据，返回经过流水线最后一个入站处理器完成之后的入站数据，如果没有数据则返回null
writeOutbound：向通道写入outbound出站数据，模拟通道发送数据。也就是说这些写入的数据会被流水线上的出站处理器处理
readOutbound：从EmbeddedChannel中读取出站数据，返回经过流水线最后一个出站处理器处理之后的出站数据，如果没有数据则返回null
finish：结束EmbeddedChannel，它会调用通道的close反复噶

最重要的两个方法为writeInbound和readOutbound方法

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