2.3. Netty 的模样
Netty 的设计主要基于主从 Reactor 多线程模式，并做了一定的改进。本节将使用一种渐进式的描述方式展示 Netty 的模样，即先给出 Netty 的简单版本，然后逐渐丰富其细节，直至展示出 Netty 的全貌。
简单版本的 Netty 的模样如下：
070
关于这张图，作以下几点说明：
1）BossGroup 线程维护 Selector，ServerSocketChannel 注册到这个 Selector 上，只关注连接建立请求事件（相当于主 Reactor）。
2）当接收到来自客户端的连接建立请求事件的时候，通过 ServerSocketChannel.accept 方法获得对应的 SocketChannel，并封装成 NioSocketChannel 注册到 WorkerGroup 线程中的 Selector，每个 Selector 运行在一个线程中（相当于从 Reactor）。
3）当 WorkerGroup 线程中的 Selector 监听到自己感兴趣的 IO 事件后，就调用 Handler 进行处理。
我们给这简单版的 Netty 添加一些细节：
关于这张图，作以下几点说明：
1）有两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，BossGroup 中的线程（可以有多个，图中只画了一个）专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。
2）BossGroup 和 WorkerGroup 含有多个不断循环的执行事件处理的线程，每个线程都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Channel。
3）每个 BossGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：
3.1）轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）
3.2）处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到 WorkerGroup 中某个线程上的 Selector 上
3.3）再去以此循环处理任务队列中的下一个事件
4）每个 WorkerGroup 中的线程循环执行以下三个步骤：
4.1）轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）
4.2）在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
4.3）再去以此循环处理任务队列中的下一个事件
我们再来看下终极版的 Netty 的模样，如下图所示（图片来源于网络）：
关于这张图，作以下几点说明：
1）Netty 抽象出两组线程池：BossGroup 和 WorkerGroup，也可以叫做 BossNioEventLoopGroup 和 WorkerNioEventLoopGroup。每个线程池中都有 NioEventLoop 线程。BossGroup 中的线程专门负责和客户端建立连接，WorkerGroup 中的线程专门负责处理连接上的读写。BossGroup 和 WorkerGroup 的类型都是 NioEventLoopGroup。
2）NioEventLoopGroup 相当于一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每个事件循环就是一个 NioEventLoop。
3）NioEventLoop 表示一个不断循环的执行事件处理的线程，每个 NioEventLoop 都包含一个 Selector，用于监听注册在其上的 Socket 网络连接（Channel）。
4）NioEventLoopGroup 可以含有多个线程，即可以含有多个 NioEventLoop。
5）每个 BossNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：
5.1）select：轮训注册在其上的 ServerSocketChannel 的 accept 事件（OP_ACCEPT 事件）
5.2）processSelectedKeys：处理 accept 事件，与客户端建立连接，生成一个 NioSocketChannel，并将其注册到某个 WorkerNioEventLoop 上的 Selector 上
5.3）runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务
6）每个 WorkerNioEventLoop 中循环执行以下三个步骤：
6.1）select：轮训注册在其上的 NioSocketChannel 的 read/write 事件（OP_READ/OP_WRITE 事件）
6.2）processSelectedKeys：在对应的 NioSocketChannel 上处理 read/write 事件
6.3）runAllTasks：再去以此循环处理任务队列中的其他任务
7）在以上两个processSelectedKeys步骤中，会使用 Pipeline（管道），Pipeline 中引用了 Channel，即通过 Pipeline 可以获取到对应的 Channel，Pipeline 中维护了很多的处理器（拦截处理器、过滤处理器、自定义处理器等）。这里暂时不详细展开讲解 Pipeline。
2.4. 基于 Netty 的 TCP Server/Client 案例
下面我们写点代码来加深理解 Netty 的模样。下面两段代码分别是基于 Netty 的 TCP Server 和 TCP Client。
服务端代码为：
/** * 需要的依赖： * <dependency> * <groupId>io.netty</groupId> * <artifactId>netty-all</artifactId> * <version>4.1.52.Final</version> * </dependency> */ public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 创建 BossGroup 和 WorkerGroup // 1. bossGroup 只处理连接请求 // 2. 业务处理由 workerGroup 来完成 EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(); try { // 创建服务器端的启动对象 ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap(); // 配置参数 bootstrap // 设置线程组 .group(bossGroup, workerGroup) // 说明服务器端通道的实现类（便于 Netty 做反射处理） .channel(NioServerSocketChannel.class) // 设置等待连接的队列的容量（当客户端连接请求速率大 // 于 NioServerSocketChannel 接收速率的时候，会使用 // 该队列做缓冲） // option()方法用于给服务端的 ServerSocketChannel // 添加配置 .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128) // 设置连接保活 // childOption()方法用于给服务端 ServerSocketChannel // 接收到的 SocketChannel 添加配置 .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true) // handler()方法用于给 BossGroup 设置业务处理器 // childHandler()方法用于给 WorkerGroup 设置业务处理器 .childHandler( // 创建一个通道初始化对象 new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 向 Pipeline 添加业务处理器 @Override protected void initChannel( SocketChannel socketChannel ) throws Exception { socketChannel.pipeline().addLast( new NettyServerHandler() ); // 可以继续调用 socketChannel.pipeline().addLast() // 添加更多 Handler } } ); System.out.println("server is ready..."); // 绑定端口，启动服务器，生成一个 channelFuture 对象， // ChannelFuture 涉及到 Netty 的异步模型，后面展开讲 ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(8080).sync(); // 对通道关闭进行监听 channelFuture.channel().closeFuture().sync(); } finally { bossGroup.shutdownGracefully(); workerGroup.shutdownGracefully(); } } /** * 自定义一个 Handler，需要继承 Netty 规定好的某个 HandlerAdapter（规范） * InboundHandler 用于处理数据流入本端（服务端）的 IO 事件 * InboundHandler 用于处理数据流出本端（服务端）的 IO 事件 */ static class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { /** * 当通道有数据可读时执行 * * @param ctx 上下文对象，可以从中取得相关联的 Pipeline、Channel、客户端地址等 * @param msg 客户端发送的数据 * @throws Exception */ @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { // 接收客户端发来的数据 System.out.println("client address: " + ctx.channel().remoteAddress()); // ByteBuf 是 Netty 提供的类，比 NIO 的 ByteBuffer 性能更高 ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg; System.out.println("data from client: " + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); } /** * 数据读取完毕后执行 * * @param ctx 上下文对象 * @throws Exception */ @Override public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { // 发送响应给客户端 ctx.writeAndFlush( // Unpooled 类是 Netty 提供的专门操作缓冲区的工具 // 类，copiedBuffer 方法返回的 ByteBuf 对象类似于 // NIO 中的 ByteBuffer，但性能更高 Unpooled.copiedBuffer( "hello client! i have got your data.", CharsetUtil.UTF_8 ) ); } /** * 发生异常时执行 * * @param ctx 上下文对象 * @param cause 异常对象 * @throws Exception */ @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { // 关闭与客户端的 Socket 连接 ctx.channel().close(); } }
客户端端代码为：
/** * 需要的依赖： * <dependency> * <groupId>io.netty</groupId> * <artifactId>netty-all</artifactId> * <version>4.1.52.Final</version> * </dependency> */ public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 客户端只需要一个事件循环组，可以看做 BossGroup EventLoopGroup eventLoopGroup = new NioEventLoopGroup(); try { // 创建客户端的启动对象 Bootstrap bootstrap = new Bootstrap(); // 配置参数 bootstrap // 设置线程组 .group(eventLoopGroup) // 说明客户端通道的实现类（便于 Netty 做反射处理） .channel(NioSocketChannel.class) // handler()方法用于给 BossGroup 设置业务处理器 .handler( // 创建一个通道初始化对象 new ChannelInitializer<SocketChannel>() { // 向 Pipeline 添加业务处理器 @Override protected void initChannel( SocketChannel socketChannel ) throws Exception { socketChannel.pipeline().addLast( new NettyClientHandler() ); // 可以继续调用 socketChannel.pipeline().addLast() // 添加更多 Handler } } ); System.out.println("client is ready..."); // 启动客户端去连接服务器端，ChannelFuture 涉及到 Netty 的异步模型，后面展开讲 ChannelFuture channelFuture = bootstrap.connect( "127.0.0.1", 8080).sync(); // 对通道关闭进行监听 channelFuture.channel().closeFuture().sync(); } finally { eventLoopGroup.shutdownGracefully(); } } /** * 自定义一个 Handler，需要继承 Netty 规定好的某个 HandlerAdapter（规范） * InboundHandler 用于处理数据流入本端（客户端）的 IO 事件 * InboundHandler 用于处理数据流出本端（客户端）的 IO 事件 */ static class NettyClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { /** * 通道就绪时执行 * * @param ctx 上下文对象 * @throws Exception */ @Override public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { // 向服务器发送数据 ctx.writeAndFlush( // Unpooled 类是 Netty 提供的专门操作缓冲区的工具 // 类，copiedBuffer 方法返回的 ByteBuf 对象类似于 // NIO 中的 ByteBuffer，但性能更高 Unpooled.copiedBuffer( "hello server!", CharsetUtil.UTF_8 ) ); } /** * 当通道有数据可读时执行 * * @param ctx 上下文对象 * @param msg 服务器端发送的数据 * @throws Exception */ @Override public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { // 接收服务器端发来的数据 System.out.println("server address: " + ctx.channel().remoteAddress()); // ByteBuf 是 Netty 提供的类，比 NIO 的 ByteBuffer 性能更高 ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg; System.out.println("data from server: " + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8)); } /** * 发生异常时执行 * * @param ctx 上下文对象 * @param cause 异常对象 * @throws Exception */ @Override public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { // 关闭与服务器端的 Socket 连接 ctx.channel().close(); } }
什么？你觉得使用 Netty 编程难度和工作量更大了？不会吧不会吧，你要知道，你通过这么两段简短的代码得到了一个基于主从 Reactor 多线程模式的服务器，一个高吞吐量和并发量的服务器，一个异步处理服务器……你还要怎样？
对上面的两段代码，作以下简单说明：
1）Bootstrap 和 ServerBootstrap 分别是客户端和服务器端的引导类，一个 Netty 应用程序通常由一个引导类开始，主要是用来配置整个 Netty 程序、设置业务处理类（Handler）、绑定端口、发起连接等。
2）客户端创建一个 NioSocketChannel 作为客户端通道，去连接服务器。
3）服务端首先创建一个 NioServerSocketChannel 作为服务器端通道，每当接收一个客户端连接就产生一个 NioSocketChannel 应对该客户端。
4）使用 Channel 构建网络 IO 程序的时候，不同的协议、不同的阻塞类型和 Netty 中不同的 Channel 对应，常用的 Channel 有：
- NioSocketChannel：非阻塞的 TCP 客户端 Channel（本案例的客户端使用的 Channel）
- NioServerSocketChannel：非阻塞的 TCP 服务器端 Channel（本案例的服务器端使用的 Channel）
- NioDatagramChannel：非阻塞的 UDP Channel
- NioSctpChannel：非阻塞的 SCTP 客户端 Channel
- NioSctpServerChannel：非阻塞的 SCTP 服务器端 Channel
......
启动服务端和客户端代码，调试以上的服务端代码，发现：
1）默认情况下 BossGroup 和 WorkerGroup 都包含 16 个线程（NioEventLoop），这是因为我的 PC 是 8 核的 NioEventLoop 的数量=coreNum*2。这 16 个线程相当于主 Reactor。
其实创建 BossGroup 和 WorkerGroup 的时候可以指定 NioEventLoop 数量，如下：
EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1); EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup(16);
这样就能更好地分配线程资源。
2）每一个 NioEventLoop 包含如下的属性（比如自己的 Selector、任务队列、执行器等）：
3）将代码断在服务端的 NettyServerHandler.channelRead 上：
可以看到 ctx 中包含的属性如下：
可以看到：
- 当前 ChannelHandlerContext ctx 是位于 ChannelHandlerContext 责任链中的一环，可以看到其 next、prev 属性
- 当前 ChannelHandlerContext ctx 包含一个 Handler
- 当前 ChannelHandlerContext ctx 包含一个 Pipeline
- Pipeline 本质上是一个双向循环列表，可以看到其 tail、head 属性
- Pipeline 中包含一个 Channel，Channel 中又包含了该 Pipeline，两者互相引用
……
从下一节开始，我将深入剖析以上两段代码，向读者展示 Netty 的更多细节。
