netty入门学习demo及模型原理

冷不防 2023-01-19 09:42 33阅读 0赞

### 一、Netty是什么 ###

Netty 是一个利用 Java 的高级网络的能力，隐藏其背后的复杂性而提供一个易于使用的 API 的客户端/服务器框架。

> 本质：网络应用程序框架
> 
> 实现：异步、事件驱动
> 
> 特性：高性能、可维护、快熟开发
> 
> 用途：开发服务器和客户端。
> 
> 框架：dubbo

#### 1.1为什么不使用NIO ####

> 支持常用应用层协议
> 
> 解决传输的问题：粘包、半包现象
> 
> 支持流量整形
> 
> 完善的断连、ldle等异常处理

#### 1.3 I/o模型 ####

io模型的理解：就是用什么样的通道进行数据发送和接收，很大程度上决定了通信性能。

BIo: 阻塞io 模型，一个连接进行一个服务的处理，如果没有结束会一直等待

Nio: 非阻塞io模型，一个线程可以处理多个请求io,客户端发送的请求会注册到多路复用器上，多路复用就一个线程检查连接的状态

AIo: 异步i o 服务端装备好数据后，会主动通知客户端拿获取数据

#### 1.4 NIO 存在的问题 ####

1、NIO的类库和API繁杂，使用麻烦:需要熟练掌握Selector、 ServerSocketChannel、SocketChannel、 ByteBuffer

2、需要具备其他的额外技能:要熟悉Java多线程编程，因为NIO编程涉及到Reactor 模式，你必须对多线程.和网络编程非常熟悉，才能编写出高质量的NIO程序。

3、开发工作量和难度都非常大:例如客户端面临断连重连、网络闪断、半包读写、失败缓存、网络拥塞和异常流的处理等等。

4、JDKNIO 的Bug: 例如臭名昭著的Epoll Bug,它会导致Selector 空轮询,最终导致CPU 100%。直到JDK 1.7  
版本该问题仍旧存在，没有被根本解决。

### 二、线程模型 ###

#### 2.1 传统I/O 阻塞模型 ####

特点：

一个请求过来，一个线程连接处理；采用阻塞式IO获取输入数据；

如图：

![image-20210509085934194][]

缺点：线程数多，服务器压力大，造成资源浪费；阻塞式io，线程利用率不高；

#### 2.2 Reactor模式 ####

基于传统i/o 模型的缺点，有两种解决方案：

1、基于IO复用模型：多个连接共用一个阻塞对象，应用程序只需要在**一个阻塞对象等待**，无需阻塞等待所有连接。当某个连接有新的数据可以处理时，操作系统通知应用程序，线程从阻塞状态返回，开始进行业务处理。

2、基于线程池复用模型：不必再为每个连接创建线程，将连接完成后的业务处理任务分配给线程进行处理，  
一个线程可以处理多个连接的业务。

**Reactor模式就是： I/O复用 + 线程池**模型 如下图：

![image-20210509094517688][]

Reactor模式是基于事件驱动，应用程序收到不同的事件后，分发给不同的事件进行处理；**Reactor模式采用I/O复用监听事件，然后分发处理，这是netty高性能的关键**

*  （转发handler）reactor 负责分发
 *  handler 负责处理

##### 2.2.1 根据reactor模式的分类 #####

a.单reactor 单线程模式 b.单reactor多线程模式。c.主从reactor多线程模式

###### a.单reactor单线程 ######

![image-20210509110037496][]

流程说明：

如果是建立连接请求：则交给Acceptor来进行连接处理；否者创建一个handler进行处理；

缺点：单个线程性能比较差

###### b.单reactor多线程 ######

![image-20210509110143213][]

流程说明：

如果是建立连接请求：则交给Acceptor来进行连接处理；否者创建一个handler进行处理,但是handler不进行业务处理，只负责接收和响应，真正的业务操作会交给Worka线程来进行处理。

缺点：所有的响应和发送都是Reactor进行，在高并发场景容易出现性能瓶颈

###### c.多线程多reactor模式 ######

![image-20210509110226226][]

流程说明：

**主要区别就是 主reactor负责连接，从reactor负责请求处理，然后分发；**

1.  Reactor 主线程MainReactor 对象通过select监听连接事件,收到事件后，通过Acceptor处理连接事件  
    2)当Acceptor处理连接事件后，MainReactor将连接分配给SubReactor
2.

subreactor将连接加入到连接队列进行监听，并创建handler进行各种事件处理  
4)当有新事件发生时，subreactor就会调用对应的handler处理  
5) handler 通过read读取数据，分发给后面的worker线程处理  
6)worker线程池分配独立的worker线程进行业务处理，并返回结果

#### 2.3 小结 reactor模式的优点 ####

*  响应快，不必为单个同步时间所阻塞，虽然Reactor本身依然是同步的
 *  可以最大程度的避免复 杂的多线程及同步问题，并且避免了多线程/进程的切换开销
 *  扩展性好，可以方便的通过增加Reactor 实例个数来充分利用CPU资源
 *  复用性好， Reactor 模型本身与具体事件处理逻辑无关，具有很高的复用性

### 三、Netty模型 ###

netty模型主要是基于 主从多线程reactor模型，简易模型如下：

![image-20210509113032203][]

**上图工作流程**

1、BossGroup 线程维护Selector，只关注Accecpt  
2、当 接收到Accept事件，获取到对应的SocketChannel,封装成NIOScoketChannel 并注册到Worker线程(事件循环)，并进行维护  
3、当Worker线程监听到selector中通道发生自己感兴趣的事件后，就进行处理(就由handler)，注意handler已经加入到通道

#### 3.1 netty的Reactor模式图解 ####

![image-20210509123810418][]

1.Netty有两组线程池**BossGroup**专门负责接收客户端的连接，**WorkerGroup**专门负责网络的读写。类型都是NioEventIoopGroup  
2.NioEventLoopGroup 相当于一一个事件循环组，这个组中含有多个事件循环，每一个事件循环是NioEventLoop .  
3.NioEventLoop 表示一个不断循环的执行处理任务的线程，每个NioEventLoop都有一个selector,用于监听绑定在其上的socket的网络通讯

Boss NioEventLoop循环执行的步骤有3步：

*  轮询accept 事件、
 *  处理accept事件，与 client建立连接，生 成NioScocketChannel，并将其注册到某个worker NIOEventLoop、
 *  处理任务队列的任务，即runAllTasks

Worker NIOEventLoop循环也是3步骤：

*  轮询read, write事件、
 *  处理i/o事件，即 read，write事件，在对应NioScocketChannel处理
 *  处理任务队列的任务，即runAllTasks

4.每个Worker NIOEventLoop处 理业务时，会使用pipeline(管道), pipeline中包含了channel ，即通过pipeline  
可以获取到对应通道，管道中维护了很多的处理器.

### 四、netty Demo 实践 ###

代码介绍：

*  NettyServer.java 服务器端
 *  NettyServerHandler.java 服务器端处理器
 *  NettyClient.java 客户端
 *  NettyClientHandler.java 客户端处理器

**NettyServer.java**

/** * @author liuzihao * @create 2021-05-09-15:24 * netty客户端 */
    public class NettyServer { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception{ 
    
            /** * 创建两个线程组合 bossGroup workGroup 如上图所介绍 * bossGroup; 只负责连接请求 * workGroup; 真正和客户段业务处理 */
            EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup();
    
            EventLoopGroup workGroup = new NioEventLoopGroup();
    
            // 创建服务器的启动参数配置类
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
            try { 
    
                serverBootstrap.group(bossGroup, workGroup)
                        // 指定类型为 NioServerSocketChannel
                        .channel(NioServerSocketChannel.class)
                        // 设置线程队列连接个数 108
                        .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 108)
                        // 设置保持连接活动状态
                        .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
                        // 初始化业务handler 如图处理业务到handler
                        .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
                            @Override
                            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
                                // 往管道加入业务处理handler
                                ch.pipeline().addLast(new NettyServerHandler());
                            }
                        });
    
                System.out.println("服务器端初始化完成 ....");
    
                // 绑定端口 获取异步对象
                ChannelFuture sync = serverBootstrap.bind(8888).sync();
    
                // 异步监听关闭通道
                sync.channel().closeFuture().sync();
    
            }finally { 
                // 发生异常优雅关闭
                bossGroup.shutdownGracefully();
            }
        }
    }

**NettyServerHandler.java**

/** * @author liuzihao * @create 2021-05-09-15:24 * 服务端业务处理 */
    public class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
    
        /** * 从通道中读取数据；获取客户端发送的数据 */
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { 
            ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
            System.out.println(" 服务端接收到客户端的消息>>>>" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
            System.out.println(" 服务端接收到客户端的地址为>>>>" + ctx.channel().remoteAddress());
    
    
        }
    
        /** * 获取数据完成 * @param ctx * @throws Exception */
        @Override
        public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { 
            System.out.println(" 服务端 处理完客户端的消息>>>>并进行回复");
            ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("hello im doing ", CharsetUtil.UTF_8));
        }
    
        /** * 发生异常之后 直接关闭 * @param ctx * @param cause * @throws Exception */
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { 
            ctx.close();
        }
    }

**NettyClient.java**

/** * @author liuzihao * @create 2021-05-09-15:24 * netty 客户端 */
    public class NettyClinet { 
    
        public static void main(String[] args) throws Exception{ 
    
            // 客户端只需要一个 group
            EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
    
            // 设置相关属性
            Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();
            try { 
    
                bootstrap.group(group)
                        .channel(NioSocketChannel.class)
                        .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() { 
    
                            @Override
                            protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception { 
                                ch.pipeline().addLast(new NettyClinetHandler());
                            }
                        });
    
                System.out.println("客户端 准备好了...");
    
                ChannelFuture sync = bootstrap.connect("127.0.0.1", 8888).sync();
    
                // 异步监听关闭通道
                sync.channel().closeFuture().sync();
    
            }finally { 
                group.shutdownGracefully();
            }
        }
    }

**NettyClinetHandler**

/** * @author liuzihao * @create 2021-05-09-15:25 * 客户端 handler */
    public class NettyClinetHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter { 
    
        /** * 通道连接之后 * @param ctx * @throws Exception */
        @Override
        public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception { 
            ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("客户端发送端数据>>>>>>hello server !!!!", CharsetUtil.UTF_8));
        }
    
        /** * 读取通道的数据 * @param ctx * @param msg * @throws Exception */
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception { 
            ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
            System.out.println(" 客户端接收服务端的消息>>>>" + byteBuf.toString(CharsetUtil.UTF_8));
            System.out.println(" 客户端接收服务端的消息>>>>" + ctx.channel().remoteAddress());
        }
    
        /** * 发生异常 * @param ctx * @param cause * @throws Exception */
        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception { 
            ctx.close();
        }
    }

#### 后记 ####

> 参考资料，尚硅谷网络开源相关学习视频

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[image-20210509094517688]: /images/20221021/b17b3c0ea3a846b89f6f427c0bc8f47d.png
[image-20210509110037496]: /images/20221021/16b46272af2b41d987d45f7325be3d56.png
[image-20210509110143213]: /images/20221021/a5524ed765bc44c090c24eb838b278df.png
[image-20210509110226226]: /images/20221021/e4d98c62514544939a6fc1212540ab01.png
[image-20210509113032203]: /images/20221021/3559388159384a99bd9e31c76cd1d972.png
[image-20210509123810418]: /images/20221021/9ff5978087044992b1a59d85d45f454a.png