Netty 框架学习 —— 初识 Netty

Netty 是一款异步的事件驱动的网络应用程序框架，支持快速地开发可维护的高性能的面向协议的服务器和客户端

Java 网络编程

早期的 Java API 只支持由本地系统套接字库提供的所谓的阻塞函数，下面的代码展示了一个使用传统 Java API 的服务器代码的普通示例

// 创建一个 ServerSocket 用以监听指定端口上的连接请求
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5000);
// 对 accept 方法的调用将被阻塞，直到一个连接建立
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
// 这些流对象都派生于该套接字的流对象
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
String request, response;
// 客户端发送了 "Done" 则退出循环
while ((request = in.readLine()) != null) {
    if ("Done".equals(request)) {
        break;
    }
    // 请求被传递给服务器的处理方法
    response = processRequest(request);
    // 服务器的响应被发送给客户端
    out.println(response);
}

这段代码只能同时处理一个连接，要管理多个客户端，就要为每个新的客户端 Socket 创建一个新的 Thread，让我们来考虑一下这种方案的影响：

• 在任何时候都会有大量线程处于休眠状态，造成资源浪费
• 需要为每个线程的调用栈都分配内存
• 线程的上下文切换会带来开销

这种并发方案对于中小数量的客户端还算理想，但不能很好地支持更大的并发，幸运的是，还有另一种解决方案

Java NIO

NIO（Non-blocking I/O，也称 New I/O），是一种同步非阻塞的 I/O 模型，也是 I/O 多路复用的基础。传统的 IO 流是阻塞的，这意味着，当一个线程调用读或写操作时，线程将被阻塞，直至数据被完全读取或写入。NIO 的非阻塞模式，使一个线程进行读或写操作时，如果目前无数据可用时，就不做操作，而不是保持线程阻塞，所以直至数据就绪以前，线程可以继续做其他事情

class java.nio.channels.Selector 是 Java 非阻塞 IO 实现的关键。它使用事件通知 API 以确定在一组非阻塞套接字中有哪些已经就绪并能进行 IO 相关操作。因为可以在任何时间点任意检查读操作或写操作的完成情况，所以单一线程可以处理多个并发的连接

与阻塞 IO 模型相比，这种模型提供了更好的资源管理：

• 使用较少的线程便可以处理许多连接，减少内存管理和上下文切换所带来的开销
• 当没有 IO 操作需要处理时，线程也可以用户其他任务

尽管 Java NIO 如此高效，但要做到正确和安全并不容易，在高负载下可靠和高效地处理和调度 IO 操作是一项烦琐且容易出错的任务，所幸，有 Netty 能帮助我们解决问题

Netty

Netty 是一个广泛使用的 Java 网络编程框架，它隐藏了 Java 高级 API 背后的复杂性，提供一个易于使用的 API 的客户端/服务器框架。在这里我们将要讨论 Netty 的主要构件：

1. Channel

Channel 是 Java NIO 的一个基本构造，可以把 Channel 简单看作是传入（入站）或传出（出站）数据的载体。因此，它可以被打开或关闭，连接或断开连接

2. 回调

一个回调其实就是一个方法，Netty 使用回调来处理事件，当一个回调被触发时，相关的事件可以被 ChannelHandler 的实现处理。下面的代码展示了这样一个例子：当一个新的连接已经建立，ChannelHandler 的 channelActive() 的回调方法将会被调用，并打印出一条信息

public class ConnectHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
    
    @override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
        System.out.println("Client " + ctx.channel().remoteAddress() + " connected");
    }
}

3. Future

Future 提供了另一种在操作完成时通知应用程序的方式，它将在未来的某个时刻完成，并提供对其结果的访问。虽然 Java 提供了 Future 的一种实现，但需要手动检查对应操作是否已经完成，或一直阻塞直到它完成，十分烦琐。Netty 提供了自己的实现 ChannelFuture，用于执行异步操作的时候使用

ChannelFuture 提供了几种额外的方法，这些方法使得我们能够注册一个或多个 ChannelFutureListener 实例。监听器的回调方法 operationComplete() 将会在对应操作完成时被调用。每个 Netty 的 IO 操作都会返回一个 ChannelFuture，它们都不会被阻塞，可以同时做其他工作，更加有效的利用资源

Channel channel = ...;
// 异步地连接到远程结点
ChannelFuture future = channel.connect(new InetSocketAddress("192.168.0.1", 25));
// 注册一个 ChannelFutureListener
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
    
    @Override
    public void operationComplete(ChannelFuture future) {
        // 如果操作成功
        if(future.isSuccess()) {
            ...
        } else {
            // 发生异常
            ...
        }
    }
});

4. 事件和 ChannelHandler

Netty 使用不同的事件来触发合适的动作，事件是按照与入站或出站数据流的相关性进行分类的，可能由入站数据或相关状态更改而触发的事件包括：

• 连接已被激活或失效
• 数据读取
• 用户事件
• 错误事件

出站事件是未来将会触发的某个动作的操作结果，包括：

• 打开或关闭到远程结点的连接
• 将数据写到或冲刷到套接字

每个事件都可分发给 ChannelHandler 类中的某个用户实现的方法，下图展示了一个事件如何被一个 ChannelHandler 链处理

Netty 提供了大量预定义的 ChannelHandler 实现，供开发者使用

5. 总结

Netty 的异步编程模型是建立在 Future 和回调的概念之上的，将事件派发到 ChannelHandler 拦截并高速地转换入站数据和出站数据，开发者只需要提供回调或者利用返回的 Future 即可。Netty 通过触发事件将 Selector 从应用程序中抽象出来，消除了本需手写的派发代码。在内部，将会为每个 Channel 分配一个 EventLoop，用于处理所有事件，包括：

• 注册感兴趣的时间
• 将事件派发给 ChannelHandler
• 安排进一步的动作

EventLoop 本身只有一个线程驱动，处理了一个 Channel 的所有 IO 事件，这个简单而强大的设计消除了可能在 ChannelHandler 实现中需要进行同步的任何顾虑，因此我们只需专注于提供正确的逻辑即可