Netty-应用篇

本博客是《Netty权威指南》的读书笔记，如有错误环境指正、探讨，谢谢！此书源码见附件。

此博客涉及的代码地址：https://gitee.com/wuzhengfei/great-truth；参考com.wzf.greattruth.netty包中的代码。更多示例见附件

一 Netty服务端

1 时序图

2 服务端启动步骤

1)  创建ServerBootstrap实例

ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();

ServerBootstrap是netty服务端的启动辅助类，提供了一系列的方法用于设置服务端启动的相关参数，底层通过门面模式对各种能力进行抽象和封装，尽量不需要用户跟过多的底层API打交道，以降低用户的开发难度。

2)  设置并绑定Reactor线程池

EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
serverBootstrap.group(bossGroup, workerGroup)

Netty的Reactor线程池是EventLoopGroup，它实际上是EventLoop的数据。EventLoop的职责是处理所有注册到本线程Selector（多路复用器）上的Channel，Selector的轮询操作由绑定的EventLoop线程run方法驱动，在一个循环体内循环执行。EventLoop不仅处理网络IO事件，还负责处理用户自定义的Task和定时任务，如此线程模型就统一了。

3)   设置并绑定服务端Channel

serverBootstrap channel(NioServerSocketChannel.class)

作为NIO的服务端，Netty自然是需要创建ServerSocketChannel的。NioServerSocketChannel是Netty对原生NIO类库的封装实现，对用户而言，不需要关心服务端Channel的底层实现细节和工作原理，只需要指定具体使用那种服务端Channel即可。

serverBootstrap.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO)).childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        public void initChannel(SocketChannel ch) throws IOException {
        }
    });

4)   链路建立的时候创建并初始化ChannelPipeline

serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
        @Override
        public void initChannel(SocketChannel ch) throws IOException {
            //add ChannelHandler
        }
    });

ChannelPipeline并不是NIO服务端必须的，它本质上是一个负责处理网络事件的责任链，负责管理和执行ChannelHandler。网络事件以流的形式在ChannelPipeline中流转，由ChannelPipeline根据ChannelHandler的执行策略进行调度。典型的网络事件如下：

链路注册

链路激活

链路断开

接收到请求消息

请求消息接收并处理完毕

发送应答消息

链路发生异常

发生用户自定义事件

5)  添加并设置ChannelHandler

sc.pipeline().addLast(new TimeServerHandler());
 

ChannelHandler是Netty提供给用户定制和扩展的关键接口，利用ChannelHandler用户可以完成大多数的功能定制，例如消息编解码、心跳、安全认证、TSL/SSL认证、流量控制、流量整形等。以下是Netty提供的常用的系统Channel。

Ø ByteToMessageCodec：系统编解码框架

Ø LengthFieldBasedFrameDecoder：基于长度的半包解码器

Ø LoggingHandler：码流日志打印Handler

Ø SslHandler：SSL安全认证Handler

Ø IdleStateHandler：链路空闲检测Handler

Ø ChannelTrafficShapingHandler：流量整形Handler

Ø Base64Decoder和Base64Encoder：Base64编解码

6)  绑定并启动监听端口

serverBootstrap.bind(NettyConstant.REMOTEIP, NettyConstant.PORT);

在绑定监听端口之前,系统会做一系列的初始化和检测工作，完成之后，会启动监听端口，并将ServerSocketChannel注册到Selector上监听客户端连接。

7)  Selector轮询

由NioEventLoop负责调度并执行Selector轮询操作，选择准备就绪的Channel集合，相关代码如下：

private void select(boolean oldWakenUp) throws IOException {
    Selector selector = this.selector;
    try {
        int selectCnt = 0;
        long currentTimeNanos = System.nanoTime();
        long selectDeadLineNanos = currentTimeNanos + delayNanos(currentTimeNanos);
        for (;;) {
            long timeoutMillis = (selectDeadLineNanos - currentTimeNanos + 500000L) / 1000000L;
            if (timeoutMillis <= 0) {
                if (selectCnt == 0) {
                    selector.selectNow();
                    selectCnt = 1;
                }
                break;
            }
 
            // If a task was submitted when wakenUp value was true, the task didn't get a chance to call
            // Selector#wakeup. So we need to check task queue again before executing select operation.
            // If we don't, the task might be pended until select operation was timed out.
            // It might be pended until idle timeout if IdleStateHandler existed in pipeline.
            if (hasTasks() && wakenUp.compareAndSet(false, true)) {
                selector.selectNow();
                selectCnt = 1;
                break;
            }
 
            int selectedKeys = selector.select(timeoutMillis);
            selectCnt ++;
 
            if (selectedKeys != 0 || oldWakenUp || wakenUp.get() || hasTasks() || hasScheduledTasks()) {
                // - Selected something,
                // - waken up by user, or
                // - the task queue has a pending task.
                // - a scheduled task is ready for processing
                break;
            }
            if (Thread.interrupted()) {
                // Thread was interrupted so reset selected keys and break so we not run into a busy loop.
                // As this is most likely a bug in the handler of the user or it's client library we will
                // also log it.
                //
                // See https://github.com/netty/netty/issues/2426
                if (logger.isDebugEnabled()) {
                    logger.debug("Selector.select() returned prematurely because  Thread.currentThread().interrupt() was called. Use  NioEventLoop.shutdownGracefully() to shutdown the NioEventLoop.");
                }
                selectCnt = 1;
                break;
            }
 
            long time = System.nanoTime();
            if (time - TimeUnit.MILLISECONDS.toNanos(timeoutMillis) >= currentTimeNanos) {
                // timeoutMillis elapsed without anything selected.
                selectCnt = 1;
            } else if (SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD > 0 &&
                    selectCnt >= SELECTOR_AUTO_REBUILD_THRESHOLD) {
                // The selector returned prematurely many times in a row.
                // Rebuild the selector to work around the problem.
                logger.warn("Selector.select() returned prematurely {} times in a row; rebuilding Selector {}.",
                        selectCnt, selector);
                rebuildSelector();
                selector = this.selector;
 
                // Select again to populate selectedKeys.
                selector.selectNow();
                selectCnt = 1;
                break;
            }
 
            currentTimeNanos = time;
        }
 
        if (selectCnt > MIN_PREMATURE_SELECTOR_RETURNS) {
            if (logger.isDebugEnabled()) {
                logger.debug("Selector.select() returned prematurely {} times in a row for Selector {}.", selectCnt - 1, selector);
            }
        }
    } catch (CancelledKeyException e) {
        if (logger.isDebugEnabled()) {
            logger.debug(CancelledKeyException.class.getSimpleName() + " raised by a Selector {} - JDK bug?",  selector, e);
        }
        // Harmless exception - log anyway
    }
}

8)  当轮询到准备继续的Channel之后，就由Reactor线程NioEventLoop执行ChannelPipeline的相应方法，并最终调度并执行ChannelHandler

9)  执行Netty系统的ChannelHandler和用户添加的定制化ChannelHandler

说明：后几个步骤，都被Netty封装并处理了，所以并不需要我们做过多的事情。

二 Netty客户端

1 时序图

2 服务端启动步骤

因为Client有很多步骤做的事情和Server比较类似，所以下面的描述较为简单。

1)  创建Bootstrap实例

Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();

2)  创建客户端连接、用于IO读写的Reactor线程组（NioEventLoopgroup）

EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
bootstrap.group(group);

默认为IO线程个数为CPU核数的2倍

3)  创建NioSocketChannel

通过Bootstrap的ChannelFactor和用户指定的Channel类型创建用于客户端连接的NioSocketChannel。

bootstrap. channel(NioSocketChannel.class)

4)  创建ChannelPipeline，添加ChannelHandler

bootstrap.option(ChannelOption.TCP_NODELAY, true).handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
     @Override
     public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
           //add ChannelHandler
          ch.pipeline().addLast(new TimeClientHandler());
     }
});

5)  异步发起TCP连接，判断连接是否成功。

如果成功，则直接将NioSocketChannel注册到多路复用器上，监听读操作位，用户数据报读取和消息发送；如果没有连接成功，则注册连接监听位到多路复用器，等待连接结果。

bootstrap.connect(new InetSocketAddress(host, port), new InetSocketAddress(NettyConstant.LOCALIP, NettyConstant.LOCAL_PORT)).sync();

6)  注册对应的网络监听状态位到多路复用器

7)  由多路复用器轮询各Channel，处理连接结果

8)  如果连接成功，设置Future结果，发送连接成功事件，触发ChannelPipeline执行

9)  有ChannelPipeline执行ChannelHandler，执行业务逻辑。

以下为TimeClientHandler的示例代码：

public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
    ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
    byte[] req = new byte[buf.readableBytes()];
    buf.readBytes(req);
    String body = new String(req, "UTF-8");
    System.out.println("Now is : " + body);
}

说明：后几个步骤，都被Netty封装并处理了，所以并不需要我们做过多的事情。