Netty 拆包粘包和服务启动流程分析

Netty 拆包粘包和服务启动流程分析

通过本章学习，笔者希望你能掌握EventLoopGroup的工作流程，ServerBootstrap的启动流程，ChannelPipeline是如何操作管理Channel。只有清楚这些，才能更好的了解和使用Netty。还在等什么，快来学习吧！

知识结构图：

技术：Netty，拆包粘包，服务启动流程
说明：若你对NIO有一定的了解，对于本章知识来说有很大的帮助！NIO教程
源码：https://github.com/ITDragonBlog/daydayup/tree/master/Netty/netty-stu

Netty 重要组件

这里让你清楚了解 ChannelPipeline，ChannelHandlerContext，ChannelHandler，Channel 四者之间的关系。
这里让你清楚了解 NioEventLoopGroup，NioEventLoop，Channel 三者之间的关系。
这里让你清楚了解 ServerBootstrap，Channel 两者之间的关系。
看懂了这块的理论知识，后面Netty拆包粘包的代码就非常的简单。

Channel

Channel : Netty最核心的接口。NIO通讯模式中通过Channel进行Socket套接字的读，写和同时读写操作。
ChannelHandler : 因为直接使用Channel会比较麻烦，所以在Netty编程中通过ChannelHandler间接操作Channel，从而简化开发。
ChannelPipeline : 可以理解为一个管理ChandlerHandler的链表。对Channel进行操作时，Pipeline负责从尾部依次调用每一个Handler进行处理。每个Channel都有一个属于自己的ChannelPipeline。
ChannelHandlerContext : ChannelPipeline通过ChannelHandlerContext间接管理每个ChannelHandler。

如下图所示，结合代码，在服务器初始化和客户端创建连接的过程中加了四个Handler，分别是日志事务，字符串分割解码器，接受参数转字符串解码器，处理任务的Handler。

NioEventLoopGroup

EventLoopGroup : 本质是个线程池，继承了ScheduledExecutorService 定时任务线程池。
NioEventLoopGroup : 是用来处理NIO通信模式的线程池。每个线程池有N个NioEventLoop来处理Channel事件，每一个NioEventLoop负责处理N个Channel。
NioEventLoop : 负责不停地轮询IO事件，处理IO事件和执行任务，类比多路复用器，细化分三件事。
1 轮询注册到Selector上所有的Channel的IO事件
2 处理产生网络IO事件的Channel
3 处理队列中的任务

ServerBootstrap

本章重点，Netty是如何通过NIO辅助启动类来初始化Channel的？先看下面的源码。

@Override
void init(Channel channel) throws Exception {
final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options0();
synchronized (options) {
setChannelOptions(channel, options, logger);
    }
final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs0();
synchronized (attrs) {
for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
@SuppressWarnings("unchecked")
            AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
            channel.attr(key).set(e.getValue());
        }
    }
    ChannelPipeline p = channel.pipeline();
final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
synchronized (childOptions) {
        currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(childOptions.size()));
    }
synchronized (childAttrs) {
        currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(childAttrs.size()));
    }
    p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
@Override
public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
            ChannelHandler handler = config.handler();
if (handler != null) {
                pipeline.addLast(handler);
            }
            ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
                    pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
                            ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
                }
            });
        }
    });
}

服务器启动和连接过程：
第一步：是给Channel设置options和attrs，
第二步：复制childGroup，childHandler，childOptions和childAttrs等待服务器和客户端连接，
第三步：实例化一个ChannelInitializer，添加到Pipeline的末尾。
第四步：当Channel注册到NioEventLoop时，ChannelInitializer触发initChannel方法，pipeline装入自定义的Handler，给Channel设置一下child配置。

小结：
1 group，options，attrs，handler，是在服务器端初始化时配置，是AbstractBootstrap的方法。
2 childGroup，childOption，childAttr，childHandler，是在服务器与客户端建立Channel后配置，是ServerBootstrap的方法。
3 Bootstrap 和 ServerBootstrap 都继承了AbstractBootstrap类。
4 若不设置childGroup，则默认取group值。
5 Bootstrap 和 ServerBootstrap 启动服务时，都会执行验证方法，判断必填参数是否都有配置。

Netty 拆包粘包

这里通过介绍Netty拆包粘包问题来对Netty进行入门学习。
在基于流的传输中，即便客户端发送独立的数据包，操作系统也会将其转换成一串字节队列，而服务端一次读取到的字节数又不确定。再加上网络传输的快慢。服务端很难完整的接收到数据。
常见的拆包粘包方法有三种
1 服务端设置一次接收字节的长度。若服务端接收的字节长度不满足要求则一直处于等待。客户端为满足传输的字节长度合格，可以考虑使用空格填充。
2 服务端设置特殊分隔符。客户端通过特殊分隔符粘包，服务端通过特殊分隔符拆包。
3 自定义协议。数据传输一般分消息头和消息体，消息头中包含了数据的长度。服务端先接收到消息头，得知需要接收N个数据，然后服务端接收直到数据为N个为止。
本章采用第二种，用特殊分隔符的方式。

创建服务端代码流程

第一步：准备两个线程池。一个用于接收事件的boss线程池，另一个用于处理事件的worker线程池。
第二步：服务端实例化ServerBootstrap NIO服务辅助启动类。用于简化提高开发效率。
第三步：配置服务器启动参数。比如channel的类型，接收channel的EventLoop，初始化的日志打印事件，建立连接后的事件（拆包，对象转字符串，自定义事件），初始化的配置和建立连接后的配置。
第四步：绑定端口，启动服务。Netty会根据第三步配置的参数启动服务。
第五步：关闭资源。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.ChannelOption;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.FixedLengthFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;  
public class ITDragonServer {  

private static final Integer PORT = 8888;                           // 被监听端口号
private static final String DELIMITER = "_$";                       // 拆包分隔符 

public static void main(String[] args) {  
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();             // 用于接收进来的连接
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();           // 用于处理进来的连接
try {  
            ServerBootstrap serverbootstrap = new ServerBootstrap();    // 启动NIO服务的辅助启动类
            serverbootstrap.group(bossGroup, workerGroup)               // 分别设置bossGroup, workerGroup 顺序不能反
            .channel(NioServerSocketChannel.class)                      // Channel的创建工厂，启动服务时会通过反射的方式来创建一个NioServerSocketChannel对象
            .handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))                 // handler在初始化时就会执行，可以设置打印日志级别
            .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {     // childHandler会在客户端成功connect后才执行，这里实例化ChannelInitializer
@Override  
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {  // initChannel方法执行后删除实例ChannelInitializer，添加以下内容
                    ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer(DELIMITER.getBytes());        // 获取特殊分隔符的ByteBuffer
                    socketChannel.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(128, delimiter)); // 设置特殊分隔符用于拆包 
// socketChannel.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8)); 设置指定长度分割
                    socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder());                  // 设置字符串形式的解码 
                    socketChannel.pipeline().addLast(new ITDragonServerHandler());          // 自定义的服务器处理类，负责处理事件
                }  
            })  
            .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)                      // option在初始化时就会执行，设置tcp缓冲区 
            .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);             // childOption会在客户端成功connect后才执行，设置保持连接 
            ChannelFuture future = serverbootstrap.bind(PORT).sync();   // 绑定端口， 阻塞等待服务器启动完成，调用sync()方法会一直阻塞等待channel的停止
            future.channel().closeFuture().sync();                      // 等待关闭 ，等待服务器套接字关闭
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            workerGroup.shutdownGracefully();                           // 关闭线程组，先打开的后关闭 
            bossGroup.shutdownGracefully();  
        }  
    }  
}  

核心参数说明

NioEventLoopGroup : 是用来处理I/O操作的多线程事件循环器。 Netty提供了许多不同的EventLoopGroup的实现用来处理不同传输协议。
ServerBootstrap : 启动NIO服务的辅助启动类。先配置Netty服务端启动参数，执行bind(PORT)方法才算真正启动服务。
group : 注册EventLoopGroup
channel : channelFactory，用于配置通道的类型。
handler : 服务器始化时就会执行的事件。
childHandler : 服务器在和客户端成功连接后会执行的事件。
initChannel : channelRegistered事件触发后执行，删除ChannelInitializer实例，添加该方法体中的handler。
option : 服务器始化的配置。
childOption : 服务器在和客户端成功连接后的配置。
SocketChannel : 继承了Channel，通过Channel可以对Socket进行各种操作。
ChannelHandler : 通过ChannelHandler来间接操纵Channel，简化了开发。
ChannelPipeline : 可以看成是一个ChandlerHandler的链表。
ChannelHandlerContext : ChannelPipeline通过ChannelHandlerContext来间接管理ChannelHandler。

自定义服务器处理类

第一步：继承 ChannelInboundHandlerAdapter，其父类已经实现了ChannelHandler接口，简化了开发。
第二步：覆盖 chanelRead()事件处理方法 ，每当服务器从客户端收到新的数据时，该方法会在收到消息时被调用。
第三步：释放 ByteBuffer，ByteBuf是一个引用计数对象，这个对象必须显示地调用release()方法来释放。
第四步：异常处理，即当Netty由于IO错误或者处理器在处理事件时抛出的异常时触发。在大部分情况下，捕获的异常应该被记录下来并且把关联的channel给关闭掉。

package com.itdragon.delimiter;
import com.itdragon.utils.ITDragonUtil;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;  

public class ITDragonServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{  
private static final String DELIMITER = "_$"; // 拆包分隔符 
@Override  
public void channelRead(ChannelHandlerContext chc, Object msg) {  
try {  
// 普通读写数据
/* 设置字符串形式的解码 new StringDecoder() 后可以直接使用
 ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; 
 byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; 
 buf.readBytes(req); 
 String body = new String(req, "utf-8"); 
 */
            System.out.println("Netty Server : " + msg.toString());
// 分隔符拆包 
            String response = ITDragonUtil.cal(msg.toString())+ DELIMITER;  
            chc.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(response.getBytes()));
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            ReferenceCountUtil.release(msg); // 写入方法writeAndFlush ，Netty已经释放了
        }  
    }  
// 当出现Throwable对象才会被调用
@Override  
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext chc, Throwable cause) {  
// 这个方法的处理方式会在遇到不同异常的情况下有不同的实现，比如你可能想在关闭连接之前发送一个错误码的响应消息。 
        cause.printStackTrace();  
        chc.close();  
    }  
}  

客户端启动流程

第一步：创建一个用于发送请求的线程池。
第二步：客户端实例化Bootstrap NIO服务启动辅助类，简化开发。
第三步：配置参数，粘包，发送请求。
第四步：关闭资源。
值得注意的是，和ServerBootstrap不同，它并没有childHandler和childOption方法。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;  
import io.netty.channel.ChannelFuture;  
import io.netty.channel.ChannelInitializer;  
import io.netty.channel.ChannelOption;  
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;  
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;  
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.DelimiterBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.FixedLengthFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;  

public class ITDragonClient {  

private static final Integer PORT = 8888;  
private static final String HOST = "127.0.0.1";  
private static final String DELIMITER = "_$"; // 拆包分隔符 

public static void main(String[] args) {  
        NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();  
try {  
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();  
            bootstrap.group(group)  
            .channel(NioSocketChannel.class)  
            .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override  
protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception { 
                    ByteBuf delimiter = Unpooled.copiedBuffer(DELIMITER.getBytes());  
// 设置特殊分隔符
                    socketChannel.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(128, delimiter));  
// 设置指定长度分割 不推荐，两者选其一
// socketChannel.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(8)); 
                    socketChannel.pipeline().addLast(new StringDecoder()); 
                    socketChannel.pipeline().addLast(new ITDragonClientHandler());  
                }  
            })  
            .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);  

            ChannelFuture future = bootstrap.connect(HOST, PORT).sync(); // 建立连接 
            future.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(("1+1"+DELIMITER).getBytes()));  
            future.channel().writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer(("6+1"+DELIMITER).getBytes()));  
            future.channel().closeFuture().sync();  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            group.shutdownGracefully();  
        }  
    }  
}  

客户端请求接收类

和服务器处理类一样，这里只负责打印数据。

package com.itdragon.delimiter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;  
public class ITDragonClientHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter{  

@Override 
public void channelRead(ChannelHandlerContext chc, Object msg) {  
try {  
/* 设置字符串形式的解码 new StringDecoder() 后可以直接使用
 ByteBuf buf = (ByteBuf) msg; 
 byte[] req = new byte[buf.readableBytes()]; 
 buf.readBytes(req); 
 String body = new String(req, "utf-8"); 
 */
            System.out.println("Netty Client :" + msg);  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            ReferenceCountUtil.release(msg);
        }  
    }  
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext chc, Throwable cause) {  
        cause.printStackTrace();  
        chc.close();  
    }  
}  

打印结果

一月 29, 2018 11:31:10 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelRegistered
信息: [id: 0xcf3a3ac1] REGISTERED
一月 29, 2018 11:31:11 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler bind
信息: [id: 0xcf3a3ac1] BIND: 0.0.0.0/0.0.0.0:8888
一月 29, 2018 11:31:11 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelActive
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] ACTIVE
一月 29, 2018 11:31:18 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelRead
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] READ: [id: 0xf1b8096b, L:/127.0.0.1:8888 - R:/127.0.0.1:4777]
一月 29, 2018 11:31:18 上午 io.netty.handler.logging.LoggingHandler channelReadComplete
信息: [id: 0xcf3a3ac1, L:/0:0:0:0:0:0:0:0:8888] READ COMPLETE
Netty Server : 1+1
Netty Server : 6+1

Netty Client :2
Netty Client :7

从日志中可以看出Channel的状态从REGISTERED ---> ACTIVE ---> READ ---> READ COMPLETE。服务端也是按照特殊分割符拆包。

总结

看完本章，你必须要掌握的三个知识点：NioEventLoopGroup，ServerBootstrap，ChannelHandlerAdapter
1 NioEventLoopGroup 本质就是一个线程池，管理多个NioEventLoop，一个NioEventLoop管理多个Channel。
2 NioEventLoop 负责不停地轮询IO事件，处理IO事件和执行任务。
3 ServerBootstrap 是NIO服务的辅助启动类，先配置服务参数，后执行bind方法启动服务。
4 Bootstrap 是NIO客户端的辅助启动类，用法和ServerBootstrap类似。
5 Netty 使用FixedLengthFrameDecoder 固定长度拆包，DelimiterBasedFrameDecoder 分隔符拆包。

到这里，Netty的拆包粘包，以及Netty的重要组件，服务器启动流程到这里就结束了，如果觉得不错可以点一个** "推荐" ** ，也可以** "关注" **我哦。

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