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Netty实战（二）

一、环境准备

Netty需要的运行环境很简单，只有2个。

  • JDK 1.8+
  • Apache Maven 3.3.9+

二、Netty 客户端/服务器概览


如图，展示了一个我们将要编写的 Echo 客户端和服务器应用程序。该图展示是多个客户端同时连接到一台服务器。所能够支持的客户端数量，在理论上，仅受限于系统的可用资源（以及所使用的 JDK 版本可能会施加的限制）。

Echo 客户端和服务器之间的交互是非常简单的；在客户端建立一个连接之后，它会向服务器发送一个或多个消息，反过来服务器又会将每个消息回送给客户端。虽然它本身看起来好像用处不大，但它充分地体现了客户端/服务器系统中典型的请求-响应交互模式。

三、编写 Echo 服务器

所有的 Netty 服务器都需要以下两部分。

  • 至少一个 ChannelHandler—该组件实现了服务器对从客户端接收的数据的处理，即它的业务逻辑。
  • 引导—这是配置服务器的启动代码。至少，它会将服务器绑定到它要监听连接请求的端口上。

3.1 ChannelHandler 和业务逻辑

上一篇博文我们介绍了 Future 和回调，并且阐述了它们在事件驱动设计中的应用。我们还讨论了 ChannelHandler，它是一个接口族的父接口，它的实现负责接收并响应事件通知。

在 Netty 应用程序中，所有的数据处理逻辑都包含在这些核心抽象的实现中。因为你的 Echo 服务器会响应传入的消息，所以它需要实现ChannelInboundHandler 接口，用来定义响应入站事件的方法。简单的应用程序只需要用到少量的这些方法，所以继承 ChannelInboundHandlerAdapter 类也就足够了，它提供了ChannelInboundHandler 的默认实现。

我们将要用到的方法是：

  • channelRead() ：对于每个传入的消息都要调用；
  • channelReadComplete() ： 通知ChannelInboundHandler最后一次对channelRead()的调用是当前批量读取中的最后一条消息；
  • exceptionCaught() ：在读取操作期间，有异常抛出时会调用。

该 Echo 服务器的 ChannelHandler 实现是 EchoServerHandler，如代码：

package com.example.netty;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandler;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
import io.netty.util.CharsetUtil;

/**
 * @author lhd
 * @date 2023/05/16 15:05
 * @notes Netty Echo服务端简单逻辑
 */

//表示channel可以并多个实例共享，它是线程安全的
@ChannelHandler.Sharable
public class EchoServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {

    @Override
    public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
        ByteBuf in = (ByteBuf) msg;
        //将消息打印到控制台
        System.out.println("Server received: " + in.toString(CharsetUtil.UTF_8));
        //将收到的消息写给发送者，而不冲刷出站消息
        ctx.write(in);
    }

    @Override
    public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) {
        //将未决消息冲刷到远程节点，并且关闭该 Channe
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.EMPTY_BUFFER)
                .addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        //打印异常堆栈跟踪
        cause.printStackTrace();
        //关闭该channel
        ctx.close();
    }
}

ChannelInboundHandlerAdapter 有一个直观的 API，并且它的每个方法都可以被重写以挂钩到事件生命周期的恰当点上。

因为需要处理所有接收到的数据，所以我们重写了 channelRead() 方法。在这个服务器应用程序中，我们将数据简单地回送给了远程节点。

重写 exceptionCaught() 方法允许我们对 Throwable 的任何子类型做出反应，在这里你记录了异常并关闭了连接。

虽然一个更加完善的应用程序也许会尝试从异常中恢复，但在这个场景下，只是通过简单地关闭连接来通知远程节点发生了错误。

ps：如果不捕获异常，会发生什么呢？

每个 Channel 都拥有一个与之相关联的 ChannelPipeline，其持有一个 ChannelHandler 的实例链。在默认的情况下，ChannelHandler 会把对它的方法的调用转发给链中的下一个 ChannelHandler。因此，如果 exceptionCaught()方法没有被该链中的某处实现，那么所接收的异常将会被传递到 ChannelPipeline 的尾端并被记录。为此，你的应用程序应该提供至少有一个实现exceptionCaught()方法的 ChannelHandler。

除了 ChannelInboundHandlerAdapter 之外，还有很多需要学习ChannelHandler的子类型和实现。这些之后会一一说明，目前，我们只关注：

  • 针对不同类型的事件来调用 ChannelHandler；
  • 应用程序通过实现或者扩展 ChannelHandler 来挂钩到事件的生命周期，并且提供自定义的应用程序逻辑；
  • 在架构上，ChannelHandler 有助于保持业务逻辑与网络处理代码的分离。这简化了开发过程，因为代码必须不断地演化以响应不断变化的需求。

3.2 引导服务器

下面我们准备开始构建服务器。构建服务器涉及到两个内容：

  • 绑定到服务器将在其上监听并接受传入连接请求的端口；
  • 配置 Channel，以将有关的入站消息通知给 EchoServerHandler 实例。
package com.example.netty;

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
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 java.net.InetSocketAddress;

/**
 * @author lhd
 * @date 2023/05/16 15:21
 * @notes Netty引导服务器
 */
public class EchoServer {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //调用服务器的 start()方法
        new EchoServer().start();
    }

    public void start() throws Exception {
        final EchoServerHandler serverHandler = new EchoServerHandler();
        //创建EventLoopGroup
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //创建ServerBootstra
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            //指定服务器监视端口
             int port = 8080;
            b.group(group)
                    //指定所使用的 NIO 传输 Channel
                    //因为我们正在使用的是 NIO 传输，所以你指定了 NioEventLoopGroup 来接受和处理新的连接，
                    // 并且将 Channel 的类型指定为 NioServerSocketChannel 。
                    .channel(NioServerSocketChannel.class)
                    //使用指定的端口设置套接字地址
                    //将本地地址设置为一个具有选定端口的 InetSocketAddress 。服务器将绑定到这个地址以监听新的连接请求
                    .localAddress(new InetSocketAddress(port))
                    //添加一个EchoServerHandler 到子Channel的 ChannelPipeline
                    //这里使用了一个特殊的类——ChannelInitializer。这是关键。
                    // 当一个新的连接被接受时，一个新的子 Channel 将会被创建，而 ChannelInitializer 将会把一个你的
                    //EchoServerHandler 的实例添加到该 Channel 的 ChannelPipeline 中。正如我们之前所解释的，
                    // 这个 ChannelHandler 将会收到有关入站消息的通知。
                    .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>(){
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            //EchoServerHandler 被标注为 @Shareable，所以我们可以总是使用同样的实例
                            //实际上所有客户端都是使用的同一个EchoServerHandler
                            ch.pipeline().addLast(serverHandler);
                        }
                    });
            //异步地绑定服务器，调用 sync()方法阻塞等待直到绑定完成
            //sync()方法的调用将导致当前 Thread阻塞，一直到绑定操作完成为止
            ChannelFuture f = b.bind().sync();
            //获取 Channel 的CloseFuture，并且阻塞当前线
            //该应用程序将会阻塞等待直到服务器的 Channel关闭（因为你在 Channel 的 CloseFuture 上调用了 sync()方法）
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关闭 EventLoopGroup，释放所有的资源，包括所有被创建的线程
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }
}

我们总结一下服务器实现中的重要步骤。下面这些是服务器的主要代码组件：

  • EchoServerHandler 实现了业务逻辑；
  • main()方法引导了服务器；
    引导过程中所需要的步骤如下：
    • 创建一个 ServerBootstrap 的实例以引导和绑定服务器；
    • 创建并分配一个 NioEventLoopGroup 实例以进行事件的处理，如接受新连接以及读/写数据；
    • 指定服务器绑定的本地的 InetSocketAddress；
    • 使用一个 EchoServerHandler 的实例初始化每一个新的 Channel；
    • 调用 ServerBootstrap.bind()方法以绑定服务器。

到此我们的引导服务器已经完成。

四、编写 Echo 客户端

Echo 客户端将会：
（1）连接到服务器；
（2）发送一个或者多个消息；
（3）对于每个消息，等待并接收从服务器发回的相同的消息；
（4）关闭连接。
编写客户端所涉及的两个主要代码部分也是业务逻辑和引导，和你在服务器中看到的一样。

4.1 通过 ChannelHandler 实现客户端逻辑

如同服务器，客户端将拥有一个用来处理数据的 ChannelInboundHandler。在这个场景下，我们将扩展 SimpleChannelInboundHandler 类以处理所有必须的任务。这要求重写下面的方法：

  • channelActive() ： 在到服务器的连接已经建立之后将被调用；
  • channelRead0() ： 当从服务器接收到一条消息时被调用；
  • exceptionCaught() ：在处理过程中引发异常时被调用。

具体代码可以参考如下：

package com.example.netty;

import io.netty.buffer.ByteBuf;
import io.netty.buffer.Unpooled;
import io.netty.channel.ChannelHandler;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.channel.SimpleChannelInboundHandler;
import io.netty.util.CharsetUtil;

/**
 * @author lhd
 * @date 2023/05/16 15:45
 * @notes Netty 简单的客户端逻辑
 */

//标记该类的实例可以被多个 Channel 共享
@ChannelHandler.Sharable
public class EchoClientHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {

    //当被通知 Channel是活跃的时候，发送一条消息
    @Override
    public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) {
        ctx.writeAndFlush(Unpooled.copiedBuffer("Netty rocks!", CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //记录已接收消息的转储
    @Override
    public void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf in) {
        System.out.println("Client received: " + in.toString(CharsetUtil.UTF_8));
    }

    //在发生异常时，记录错误并关闭Channel
    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        cause.printStackTrace();
        ctx.close();
    }
}

首先，我们重写了 channelActive() 方法，其将在一个连接建立时被调用。这确保了数据将会被尽可能快地写入服务器，其在这个场景下是一个编码了字符串"Netty rocks!"的字节缓冲区。

接下来，我们重写了 channelRead0() 方法。每当接收数据时，都会调用这个方法。由服务器发送的消息可能会被分块接收。也就是说，如果服务器发送了 5 字节，那么不能保证这 5 字节会被一次性接收。即使是对于这么少量的数据，channelRead0()方法也可能会被调用两次，第一次使用一个持有 3 字节的 ByteBuf（Netty 的字节容器），第二次使用一个持有 2 字节的 ByteBuf。作为一个面向流的协议，TCP 保证了字节数组将会按照服务器发送它们的顺序被接收。

ps：所以channelRead0()的调用次数不一定等于服务器发布消息的次数

重写的第三个方法是 exceptionCaught()。如同在 EchoServerHandler（3.1中的代码示例）中所示，记录 Throwable，关闭 Channel，在这个场景下，终止到服务器的连接。

ps：为什么客户端继承SimpleChannelInboundHandler 而不是ChannelInboundHandler？

在客户端，当 channelRead0()方法完成时，我们已经有了传入消息，并且已经处理完它了。当该方法返回时，SimpleChannelInboundHandler 负责释放指向保存该消息的 ByteBuf 的内存引用。

在 EchoServerHandler 中，我们仍然需要将传入消息回送给发送者，而 write()操作是异步的，直到 channelRead()方法返回后可能仍然没有完成。为此，EchoServerHandler扩展了 ChannelInboundHandlerAdapter，其在这个时间点上不会释放消息。消息在 EchoServerHandler 的 channelReadComplete()方法中，当 writeAndFlush()方法被调用时被释放。

4.2 引导客户端

引导客户端类似于引导服务器，不同的是，客户端是使用主机和端口参数来连接远程地址，也就是这里的 Echo 服务器的地址，而不是绑定到一个一直被监听的端口。

package com.example.netty;

import io.netty.bootstrap.Bootstrap;
import io.netty.channel.ChannelFuture;
import io.netty.channel.ChannelInitializer;
import io.netty.channel.EventLoopGroup;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;

import java.net.InetSocketAddress;

/**
 * @author lhd
 * @date 2023/05/16 15:59
 * @notes 引导客户端
 */
public class EchoClient {
  
    public void start() throws Exception {
        //指定 EventLoopGroup 以处理客户端事件；需要适用于 NIO 的实现
        EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
        try {
            //创建 Bootstrap
            Bootstrap b = new Bootstrap();
            b.group(group)
                    //适用于 NIO 传输的 Channel 类型
                    .channel(NioSocketChannel.class)
                    //设置服务器的InetSocketAddress
                    .remoteAddress(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080))
                    .handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                        @Override
                        public void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                            //在创建Channel时，向 ChannelPipeline中添加一个 EchoClientHandler 实例
                            ch.pipeline().addLast(new EchoClientHandler());}
                    });
            //连接到远程节点，阻塞等待直到连接完成
            ChannelFuture f = b.connect().sync();
            //阻塞，直到Channel 关闭
            f.channel().closeFuture().sync();
        } finally {
            //关闭线程池并且释放所有的资源
            group.shutdownGracefully().sync();
        }
    }
 public static void main(String[] args) throws Exception {
        new EchoClient().start();
    }
}

总结一下要点：

  • 为初始化客户端，创建了一个 Bootstrap 实例；
  • 为进行事件处理分配了一个 NioEventLoopGroup 实例，其中事件处理包括创建新的连接以及处理入站和出站数据；
  • 为服务器连接创建了一个 InetSocketAddress 实例；
  • 当连接被建立时，一个 EchoClientHandler 实例会被安装到（该 Channel 的）
    ChannelPipeline 中；
  • 在一切都设置完成后，调用 Bootstrap.connect()方法连接到远程节点；

综上客户端的构建已经完成。

五、构建和运行 Echo 服务器和客户端

将我们上面的代码复制到IDEA中运行，先启动服务端在启动客户端会得到以下预期效果：

服务端控制台打印：

客户端控制台打印：

我们关闭服务端后，客户端控制台打印：

因为服务端关闭，触发了客户端 EchoClientHandler 中的exceptionCaught()方法，打印出了异常堆栈并关闭了连接。

这只是一个简单的应用程序，但是它可以伸缩到支持数千个并发连接——每秒可以比普通的基于套接字的 Java 应用程序处理多得多的消息。

05-24 11:28
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