Netty 详解（EventLoop、Channel、Future、Handler、Pipeline 和 ByteBuf ）

前言：本文是博主学习视频后所整理的笔记，用于回顾。

Netty中的工作原理：首先使用 Bootstrap/ServerBootstrap 启动器启动，通过使用包含了多个EventLoop 的 EventLoopGroup 去处理多组 Channel 的事件循环。而每个 Channel 是一个产品的加工车间，Pipeline 是车间中的流水线，ChannelHandler 就是流水线上的各道工序，而后面要讲的 ByteBuf 是原材料，经过很多工序的加工：先经过一道道入站工序，再经过一道道出站工序最终变成产品。

一、基本介绍

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Netty是一个 异步的、基于事件驱动的网络应用框架 ，用于快速开发高性能、高可靠性的 网络服务器 和 客户端程序 。设计和实现以处理高并发、低延迟、可靠性和灵活性为目标，因此非常适合构建各种网络应用，如网络服务器、代理、聊天应用、在线游戏、实时通信和分布式系统等。

• 简化网络编程：Netty 提供了一组易于使用的API，用于处理底层的网络通信，包括TCP、UDP、HTTP等协议，以及各种编解码、数据传输和其他网络相关的功能。
• 提高性能：Netty通过异步事件驱动的方式处理网络通信，可以充分利用系统资源，提高应用的性能和吞吐量。同时，Netty还提供了多种优化手段，如零拷贝、内存池等，进一步提升了性能。
• 支持多种协议：Netty不仅支持TCP、UDP等常用协议，还支持HTTP、WebSocket等协议 。

Netty 常应用于：

• 互联网行业：在分布式系统中，各个节点之间需要远程服务调用，高性能的RPC框架必不可少。Netty作为异步高性能的通信框架，往往作为基础通信组件被这些RPC框架使用。例如， Dubbo协议就是基于Netty实现的 。
• 游戏行业：游戏行业对网络通信的要求非常高，需要实现低延迟、高并发的网络通信。Netty的高性能和灵活性使其成为游戏行业网络通信的首选框架。
• 大数据领域：在大数据领域，数据需要在各个节点之间进行传输和处理。Netty的高性能和可扩展性使得它可以轻松地处理大量的数据传输和并发请求。

Netty是一个强大的网络应用程序框架，适用于构建高性能、可扩展和可靠的网络应用。

二、重要组件

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• Bootstrap/ServerBootstrap：这相当于是一个 启动器 ，用于设置和启动Netty服务器或客户端。对于服务端，有ServerBootstrap；对于客户端，有Bootstrap。
• EventLoopGroup：可以看作是一个 Reactor池 ，其中 包含了多个EventLoop 。每个EventLoop负责处理一组Channel的事件循环。EventLoop内部维护了一个线程和一个Selector，用于处理 I/O 操作。
• EventLoop：是Netty的核心组件之一，本质上是一个 单线程执行器 。它处理与Channel相关的 I/O 事件，如接受连接、读写数据等。
• Channel： Netty网络通信的组件 ，用于表示一个到实体（如硬件设备、文件、网络套接字或者能够执行I/O操作的程序组件）的开放连接，如读操作和写操作。
• ChannelFuture： Netty的异步操作机制 ，用于表示一个尚未完成的操作。通过添加监听器（Listener）来监听操作的状态，当操作完成时，将会调用监听器的回调函数。
• Handler： Netty中的业务处理逻辑 ，用于处理Channel上的数据接收和发送等事件。 Handler可以被添加到ChannelPipeline中，形成一个处理链。
• Pipeline： ChannelPipeline是ChannelHandler链的容器 ，它负责处理或拦截入站事件和出站操作，如数据接收、数据发送、连接建立和断开等。
• ByteBuf： Netty的字节容器 ，用于处理网络数据。相比Java的ByteBuffer，ByteBuf提供了更丰富的API和更好的性能。
• Promise：Netty中的特殊Future，用于 表示异步操作的结果 。与Future不同的是，Promise可以由操作方主动设置结果或异常。

三、简单示例

创建服务端 Server ：

public class ServerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        new ServerBootstrap()
                // 1 创建 NioEventLoopGroup，可以简单理解为 `线程池 + Selector`
                .group(new NioEventLoopGroup())
                // 2 选择服务 Socket 实现类，其中 NioServerSocketChannel 
                // 表示基于 NIO 的服务器端实现
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                // 3 为啥方法叫 childHandler，是接下来添加的处理器都是给 SocketChannel 用的，
                // 而不是给 ServerSocketChannel。
                // ChannelInitializer 处理器（仅执行一次），它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后，
                // 执行 initChannel 以便添加更多的处理器
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
                        // 5 SocketChannel 的处理器，解码 ByteBuf => String
                        ch.pipeline().addLast(new StringDecoder());
                        // 6 SocketChannel 的业务处理器，使用上一个处理器的处理结果
                        ch.pipeline().addLast(new SimpleChannelInboundHandler<String>() {
                            @Override
                            protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, String msg) {
                                System.out.println(msg);
                            }
                        });
                    }
                })
                // 4 ServerSocketChannel 绑定的监听端口
                .bind(8080);
    }
}

创建客户端 Client：

public class ClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Bootstrap()
                // 1 创建 NioEventLoopGroup，同 Server
                .group(new NioEventLoopGroup())
                // 2 选择客户 Socket 实现类，NioSocketChannel 表示基于 NIO 的客户端实现
                .channel(NioSocketChannel.class)
                // 3 添加 SocketChannel 的处理器，ChannelInitializer 处理器（仅执行一次），
                // 它的作用是待客户端 SocketChannel 建立连接后，执行 initChannel 以便添加更多的处理器
                .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(Channel ch) {
                        // 8 消息会经过通道 handler 处理，这里是将 String => ByteBuf 发出
                        ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                    }
                })
                // 4 指定要连接的服务器和端口
                .connect("127.0.0.1", 8080)
                // 5 Netty 中很多方法都是异步的，如 connect，这时需要使用 sync 方法等待 connect 建立连接完毕
                .sync()
                // 6 获取 channel 对象，它即为通道抽象，可以进行数据读写操作
                .channel()
                // 7 写入消息并清空缓冲区
                .writeAndFlush(new Date() + ": hello world!");

        // 数据经过网络传输，到达服务器端，服务器端 5 和 6 处的 handler 先后被触发，走完一个流程
    }
}

Netty 示例中的组件分析：

• 首先把 Channel 理解为数据的通道，把 msg 理解为流动的数据。
• 最开始输入是 ByteBuf ，但经过 pipeline 的加工，会变成其它类型对象，最后输出又变成 ByteBuf 。
• 把 handler 理解为数据的处理工，工序有多道，合在一起就是 pipeline，pipeline 负责发布事件（读、读取完成…）传播给每个 handler， handler 对自己感兴趣的事件进行处理（重写了相应事件处理方法）。
• handler 分 Inbound 和 Outbound 两类。
• 把 eventLoop 理解为处理数据的工人。
• 工人可以管理多个 channel 的 io 操作，并且一旦工人负责了某个 channel，就要负责到底（绑定）。
• 工人既可以执行 io 操作，也可以进行任务处理。
• 每位工人有任务队列，队列里可以堆放多个 channel 的待处理任务，任务分为普通任务、定时任务。
• 工人按照 pipeline 顺序，依次按照 handler 的规划（代码）处理数据，可以为每道工序指定不同的工人。

四、EventLoop 详解

4.1 EventLoop 和 EventLoopGroup 介绍

EventLoop 是事件循环对象。EventLoop 本质是一个单线程执行器（同时维护了一个 Selector），里面有 run 方法处理 Channel 上源源不断的 io 事件。

它的继承关系比较复杂

• 一条线是继承自 ScheduledExecutorService 因此包含了线程池中所有的方法。
• 另一条线是继承自 netty 自己的 OrderedEventExecutor 。
  • 提供了 boolean inEventLoop(Thread thread) 方法判断一个线程是否属于此 EventLoop
  • 提供了 parent 方法来看看自己属于哪个 EventLoopGroup 。

EventLoopGroup 是事件循环组。EventLoopGroup 是一组 EventLoop，Channel 一般会调用 EventLoopGroup 的 register 方法来绑定其中一个 EventLoop，后续这个 Channel 上的 io 事件都由此 EventLoop 来处理（保证了 io 事件处理时的线程安全）

• 继承自 netty 自己的 EventExecutorGroup 。
  • 实现了 Iterable 接口 提供遍历 EventLoop 的能力。
  • 另有 next 方法 获取集合中下一个 EventLoop。

以一个简单的实现 EventLoopGroup 为例：

// 内部创建了两个 EventLoop, 每个 EventLoop 维护一个线程
DefaultEventLoopGroup group = new DefaultEventLoopGroup(2);
System.out.println(group.next());
System.out.println(group.next());
System.out.println(group.next());

输出

io.netty.channel.DefaultEventLoop@60f82f98
io.netty.channel.DefaultEventLoop@35f983a6
io.netty.channel.DefaultEventLoop@60f82f98

也可以使用 for 循环

DefaultEventLoopGroup group = new DefaultEventLoopGroup(2);
for (EventExecutor eventLoop : group) {
    System.out.println(eventLoop);
}

输出

io.netty.channel.DefaultEventLoop@60f82f98
io.netty.channel.DefaultEventLoop@35f983a6

4.2 DefaultEventLoopGroup 和 NioEventLoopGroup 使用示例

客户端代码

public class EventLoopGroupClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 启动类
        Channel channel = new Bootstrap()
                // 添加 EventLoop
                .group(new NioEventLoopGroup())
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                    }
                })
                .connect(new InetSocketAddress("localhost", 8088))
                .sync()
                .channel();
        channel.writeAndFlush("hello world");
    }
}

服务端代码

@Slf4j
public class EventLoopGroupServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 细分2：创建一个独立的 EventLoopGroup
        DefaultEventLoopGroup group = new DefaultEventLoopGroup();
        new ServerBootstrap()
                // 分为 boss 和 worker
                // boss 负责 ServerSocketChannel 上的 accept 事件
                // worker 只负责 socketChannel 上的读写
                .group(new NioEventLoopGroup(), new NioEventLoopGroup(2))
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast("handler1", new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                            @Override
                            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
                                log.debug(buf.toString(Charset.defaultCharset()));
                                // 把消息传递给下一个 handler
                                ctx.fireChannelRead(msg);
                            }
                        }).addLast(group, "handler2", new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                            @Override
                            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                ByteBuf buf = (ByteBuf) msg;
                                log.debug(buf.toString(Charset.defaultCharset()));
                            }
                        });
                    }
                })
                .bind(8088);
    }
}

运行结果

13:18:41.140 [nioEventLoopGroup-4-1] DEBUG com.netty.demo.test.EventLoopGroupServer - hello world
13:18:41.141 [defaultEventLoopGroup-2-1] DEBUG com.netty.demo.test.EventLoopGroupServer - hello world

图片中可以看到对应的线程 eventloop 颜色对应相同颜色的 handler 。
可以看到线程处理是单独的，如果两个handler绑定的是同一个线程（eventloop），那么就直接调用。否则，把要调用的代码封装成一个任务对象，由下一个handler的线程来调用，主要目的就是切换线程。

4.3 handler 执行中如何切换线程

关键代码 io.netty.channel.AbstractChannelHandlerContext#invokeChannelRead()

static void invokeChannelRead(final AbstractChannelHandlerContext next, Object msg) {
    final Object m = next.pipeline.touch(ObjectUtil.checkNotNull(msg, "msg"), next);
    // 下一个 handler 的事件循环是否与当前的事件循环是同一个线程
    EventExecutor executor = next.executor();
    
    // 是，直接调用
    if (executor.inEventLoop()) {
        next.invokeChannelRead(m);
    } 
    // 不是，将要执行的代码作为任务提交给下一个事件循环处理（换人）
    else {
        executor.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                next.invokeChannelRead(m);
            }
        });
    }
}

4.4 NioEventLoop 处理普通任务

NioEventLoop 除了可以处理 io 事件，同样可以向它提交普通任务，可以用来执行耗时较长的任务。

NioEventLoopGroup nioWorkers = new NioEventLoopGroup(2);

log.debug("server start...");
Thread.sleep(2000);
nioWorkers.execute(()->{
    log.debug("normal task...");
});

输出

22:30:36 [DEBUG] [main] c.i.o.EventLoopTest2 - server start...
22:30:38 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-2-1] c.i.o.EventLoopTest2 - normal task...

4.5 NioEventLoop 处理定时任务

NioEventLoop 可以用来执行定时任务

NioEventLoopGroup nioWorkers = new NioEventLoopGroup(2);

log.debug("server start...");
Thread.sleep(2000);
nioWorkers.scheduleAtFixedRate(() -> {
    log.debug("running...");
}, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);

输出

22:35:15 [DEBUG] [main] c.i.o.EventLoopTest2 - server start...
22:35:17 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-2-1] c.i.o.EventLoopTest2 - running...
22:35:18 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-2-1] c.i.o.EventLoopTest2 - running...
22:35:19 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-2-1] c.i.o.EventLoopTest2 - running...
22:35:20 [DEBUG] [nioEventLoopGroup-2-1] c.i.o.EventLoopTest2 - running...
...

五、Channel 详解

5.1 Channel 常用方法

• close() 可以用来关闭 channel 。
• closeFuture() 用来处理 channel 的关闭。
  • sync() 作用是 同步 等待 channel 关闭。
  • addListener() 作用是 异步 等待 channel 关闭。
• pipeline() 方法添加处理器。
• write() 方法将数据写入。
• writeAndFlush() 方法将数据写入并刷出。

5.2 ChannelFuture

5.2.1 ChannelFuture 对象怎么获取

上文中客户端代码如果拆开看就可以清晰地看到 ChannelFuture 对象。

ChannelFuture channelFuture = new Bootstrap()
    .group(new NioEventLoopGroup())
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
        }
    })
    .connect("127.0.0.1", 8080); 
// 这里返回的是 ChannelFuture 对象，它的作用是利用 channel() 方法来获取 Channel 对象

channelFuture.sync().channel().writeAndFlush(new Date() + ": hello world!");

注意： connect 方法是异步的，意味着不等连接建立，方法执行就返回了。因此 channelFuture 对象中不能 立刻 获得到正确的 Channel 对象。

5.2.2 使用 sync 方法和 addListener 方法回调获取正确 ChannelFuture 对象

ChannelFuture channelFuture = new Bootstrap()
    .group(new NioEventLoopGroup())
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
        }
    })
    .connect("127.0.0.1", 8080);

System.out.println(channelFuture.channel()); // 1
channelFuture.sync(); // 2
System.out.println(channelFuture.channel()); // 3

• 执行到 1 时，连接未建立，打印 [id: 0x2e1884dd]
• 执行到 2 时，sync 方法是同步等待连接建立完成
• 执行到 3 时，连接肯定建立了，打印 [id: 0x2e1884dd, L:/127.0.0.1:57191 - R:/127.0.0.1:8080]

除了用 sync 方法可以让异步操作同步以外，还可以使用回调的方式：

ChannelFuture channelFuture = new Bootstrap()
    .group(new NioEventLoopGroup())
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
        }
    })
    .connect("127.0.0.1", 8080);
System.out.println(channelFuture.channel()); // 1
channelFuture.addListener((ChannelFutureListener) future -> {
    System.out.println(future.channel()); // 2
});

• 执行到 1 时，连接未建立，打印 [id: 0x749124ba]
• ChannelFutureListener 会在连接建立时被调用（其中 operationComplete 方法），因此执行到 2 时，连接肯定建立了，打印 [id: 0x749124ba, L:/127.0.0.1:57351 - R:/127.0.0.1:8080]

5.3 CloseFuture

@Slf4j
public class CloseFutureClient {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        NioEventLoopGroup group new NioEventLoopGroup();
        ChannelFuture channelFuture = new Bootstrap()
                .group(group)
                .channel(NioSocketChannel.class)
                .handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    @Override // 在连接建立后被调用
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                        ch.pipeline().addLast(new LoggingHandler(LogLevel.DEBUG));
                        ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
                    }
                })
                .connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
        Channel channel = channelFuture.sync().channel();
        log.debug("{}", channel);
        new Thread(()->{
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            while (true) {
                String line = scanner.nextLine();
                if ("q".equals(line)) {
                    channel.close(); // close 异步操作 1s 之后
					// log.debug("处理关闭之后的操作"); // 不能在这里善后
                    break;
                }
                channel.writeAndFlush(line);
            }
        }, "input").start();

        // 获取 CloseFuture 对象， 1) 同步处理关闭， 2) 异步处理关闭
        ChannelFuture closeFuture = channel.closeFuture();
		
		// 使用 sync 方法关闭
        /*log.debug("waiting close...");
        closeFuture.sync();
        log.debug("处理关闭之后的操作");*/
		
		// 使用回调的方式关闭
        closeFuture.addListener(new ChannelFutureListener() {
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception {
                log.debug("处理关闭之后的操作");
                // 关闭其它线程
                group.shutdownGracefully();
            }
        });
    }
}

5.4 Future

5.4.1 Future 和 Promise 介绍

在异步处理时，经常用到 Future 和 Promise 这两个接口。要说明 netty 中的 Future 与 jdk 中的 Future 同名，但是是两个接口，netty 的 Future 继承自 jdk 的 Future，而 Promise 又对 netty Future 进行了扩展。

• jdk Future 只能同步等待任务结束（或成功、或失败）才能得到结果。
• netty Future 可以同步等待任务结束得到结果，也可以异步方式得到结果，但都是要等任务结束。
• netty Promise 不仅有 netty Future 的功能，而且脱离了任务独立存在，只作为两个线程间传递结果的容器 。

功能/名称	jdk Future	netty Future	Promise
cancel	取消任务	-	-
isCanceled	任务是否取消	-	-
isDone	任务是否完成，不能区分成功失败	-	-
get	获取任务结果，阻塞等待	-	-
getNow	-	获取任务结果，非阻塞，还未产生结果时返回 null	-
await	-	等待任务结束，如果任务失败，不会抛异常，而是通过 isSuccess 判断	-
sync	-	等待任务结束，如果任务失败，抛出异常	-
isSuccess	-	判断任务是否成功	-
cause	-	获取失败信息，非阻塞，如果没有失败，返回null	-
addLinstener	-	添加回调，异步接收结果	-
setSuccess	-	-	设置成功结果
setFailure	-	-	设置失败结果

5.4.2 同步处理任务成功示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

eventExecutors.execute(()->{
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    log.debug("set success, {}",10);
    promise.setSuccess(10);
});

log.debug("start...");
log.debug("{}",promise.getNow()); // 还没有结果
log.debug("{}",promise.get());

输出

11:51:53 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - start...
11:51:53 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - null
11:51:54 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - set success, 10
11:51:54 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - 10

5.4.3 异步处理任务成功示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

// 设置回调，异步接收结果
promise.addListener(future -> {
    // 这里的 future 就是上面的 promise
    log.debug("{}",future.getNow());
});

// 等待 1000 后设置成功结果
eventExecutors.execute(()->{
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    log.debug("set success, {}",10);
    promise.setSuccess(10);
});

log.debug("start...");

输出

11:49:30 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - start...
11:49:31 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - set success, 10
11:49:31 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - 10

5.4.4 同步处理任务失败 - sync & get 示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

eventExecutors.execute(() -> {
	try {
		Thread.sleep(1000);
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	}
	RuntimeException e = new RuntimeException("error...");
	log.debug("set failure, {}", e.toString());
	promise.setFailure(e);
});

log.debug("start...");
log.debug("{}", promise.getNow());
promise.get(); // sync() 也会出现异常，只是 get 会再用 ExecutionException 包一层异常

输出

12:11:07 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - start...
12:11:07 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - null
12:11:08 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - set failure, java.lang.RuntimeException: error...
Exception in thread "main" java.util.concurrent.ExecutionException: java.lang.RuntimeException: error...
	at io.netty.util.concurrent.AbstractFuture.get(AbstractFuture.java:41)
	at com.itcast.oio.DefaultPromiseTest2.main(DefaultPromiseTest2.java:34)
Caused by: java.lang.RuntimeException: error...
	at com.itcast.oio.DefaultPromiseTest2.lambda$main$0(DefaultPromiseTest2.java:27)
	at io.netty.channel.DefaultEventLoop.run(DefaultEventLoop.java:54)
	at io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:918)
	at io.netty.util.internal.ThreadExecutorMap$2.run(ThreadExecutorMap.java:74)
	at io.netty.util.concurrent.FastThreadLocalRunnable.run(FastThreadLocalRunnable.java:30)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

5.4.5 同步处理任务失败 - await 示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

eventExecutors.execute(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    RuntimeException e = new RuntimeException("error...");
    log.debug("set failure, {}", e.toString());
    promise.setFailure(e);
});

log.debug("start...");
log.debug("{}", promise.getNow());
promise.await(); // 与 sync 和 get 区别在于，不会抛异常
log.debug("result {}", (promise.isSuccess() ? promise.getNow() : promise.cause()).toString());

输出

12:18:53 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - start...
12:18:53 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - null
12:18:54 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - set failure, java.lang.RuntimeException: error...
12:18:54 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - result java.lang.RuntimeException: error...

5.4.6 异步处理任务失败示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

promise.addListener(future -> {
    log.debug("result {}", (promise.isSuccess() ? promise.getNow() : promise.cause()).toString());
});

eventExecutors.execute(() -> {
    try {
        Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    RuntimeException e = new RuntimeException("error...");
    log.debug("set failure, {}", e.toString());
    promise.setFailure(e);
});

log.debug("start...");

输出

12:04:57 [DEBUG] [main] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - start...
12:04:58 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - set failure, java.lang.RuntimeException: error...
12:04:58 [DEBUG] [defaultEventLoop-1-1] c.i.o.DefaultPromiseTest2 - result java.lang.RuntimeException: error...

5.4.7 await 死锁检查示例

DefaultEventLoop eventExecutors = new DefaultEventLoop();
DefaultPromise<Integer> promise = new DefaultPromise<>(eventExecutors);

eventExecutors.submit(()->{
    System.out.println("1");
    try {
        promise.await();
        // 注意不能仅捕获 InterruptedException 异常
        // 否则 死锁检查抛出的 BlockingOperationException 会继续向上传播
        // 而提交的任务会被包装为 PromiseTask，它的 run 方法中会 catch 所有异常然后设置为 Promise 的失败结果而不会抛出
    } catch (Exception e) { 
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("2");
});
eventExecutors.submit(()->{
    System.out.println("3");
    try {
        promise.await();
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println("4");
});

输出

1
2
3
4
io.netty.util.concurrent.BlockingOperationException: DefaultPromise@47499c2a(incomplete)
	at io.netty.util.concurrent.DefaultPromise.checkDeadLock(DefaultPromise.java:384)
	at io.netty.util.concurrent.DefaultPromise.await(DefaultPromise.java:212)
	at com.itcast.oio.DefaultPromiseTest.lambda$main$0(DefaultPromiseTest.java:27)
	at io.netty.util.concurrent.PromiseTask$RunnableAdapter.call(PromiseTask.java:38)
	at io.netty.util.concurrent.PromiseTask.run(PromiseTask.java:73)
	at io.netty.channel.DefaultEventLoop.run(DefaultEventLoop.java:54)
	at io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:918)
	at io.netty.util.internal.ThreadExecutorMap$2.run(ThreadExecutorMap.java:74)
	at io.netty.util.concurrent.FastThreadLocalRunnable.run(FastThreadLocalRunnable.java:30)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
io.netty.util.concurrent.BlockingOperationException: DefaultPromise@47499c2a(incomplete)
	at io.netty.util.concurrent.DefaultPromise.checkDeadLock(DefaultPromise.java:384)
	at io.netty.util.concurrent.DefaultPromise.await(DefaultPromise.java:212)
	at com.itcast.oio.DefaultPromiseTest.lambda$main$1(DefaultPromiseTest.java:36)
	at io.netty.util.concurrent.PromiseTask$RunnableAdapter.call(PromiseTask.java:38)
	at io.netty.util.concurrent.PromiseTask.run(PromiseTask.java:73)
	at io.netty.channel.DefaultEventLoop.run(DefaultEventLoop.java:54)
	at io.netty.util.concurrent.SingleThreadEventExecutor$5.run(SingleThreadEventExecutor.java:918)
	at io.netty.util.internal.ThreadExecutorMap$2.run(ThreadExecutorMap.java:74)
	at io.netty.util.concurrent.FastThreadLocalRunnable.run(FastThreadLocalRunnable.java:30)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

六、Handler 和 Pipeline 详解

6.1 ChannelHandler 和 Pipeline 的关系

ChannelHandler 用来处理 Channel 上的各种事件，分为 入站、出站 两种。所有 ChannelHandler 被连成一串，就是 Pipeline 。

• 入站处理器通常是 ChannelInboundHandlerAdapter 的子类，主要用来读取客户端数据，写回结果。
• 出站处理器通常是 ChannelOutboundHandlerAdapter 的子类，主要对写回结果进行加工。

打个比喻，每个 Channel 是一个产品的加工车间，Pipeline 是车间中的流水线，ChannelHandler 就是流水线上的各道工序，而后面要讲的 ByteBuf 是原材料，经过很多工序的加工：先经过一道道入站工序，再经过一道道出站工序最终变成产品。

6.2 代码示例

服务端

@Slf4j
public class TestNettyPipeline {
    public static void main(String[] args) {
        new ServerBootstrap()
                .group(new NioEventLoopGroup())
                .channel(NioServerSocketChannel.class)
                .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                        ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
                        pipeline.addLast("handler1", new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                log.debug("序号 1");
                                ByteBuf byteBuf = (ByteBuf) msg;
                                String name = byteBuf.toString(Charset.defaultCharset());
                                super.channelRead(ctx, name);
                            }
                        });
                        pipeline.addLast("handler2", new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object name) throws Exception {
                                log.debug("序号 2");
                                Student student = new Student(name.toString());
                                super.channelRead(ctx, student);
                            }
                        });
                        pipeline.addLast("handler3", new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
                                log.debug("序号 3，结果{}， class：{}", msg, msg.getClass());
                                ch.writeAndFlush(ctx.alloc().buffer().writeBytes("server。。。".getBytes()));
                            }
                        });
                        pipeline.addLast("handler4", new ChannelOutboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
                                log.debug("序号 4");
                                super.write(ctx, msg, promise);
                            }
                        });
                        pipeline.addLast("handler5", new ChannelOutboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
                                log.debug("序号 5");
                                super.write(ctx, msg, promise);
                            }
                        });
                        pipeline.addLast("handler6", new ChannelOutboundHandlerAdapter(){
                            @Override
                            public void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception {
                                log.debug("序号 6");
                                super.write(ctx, msg, promise);
                            }
                        });

                    }
                }).bind(8080);
    }
}

客户端

new Bootstrap()
    .group(new NioEventLoopGroup())
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<Channel>() {
        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
        }
    })
    .connect("127.0.0.1", 8080)
    .addListener((ChannelFutureListener) future -> {
        future.channel().writeAndFlush("hello,world");
    });

服务器端打印：

15:11:55.913 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 1
15:11:55.915 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 2
15:11:55.915 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 3，结果Student(name=zhangsan)， class：class com.netty.demo.dto.Student
15:11:55.915 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 6
15:11:55.915 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 5
15:11:55.915 [nioEventLoopGroup-2-3] DEBUG com.netty.demo.test.TestNettyPipeline - 序号 4

可以看到，ChannelInboundHandlerAdapter 是按照 addLast 的顺序执行的，而 ChannelOutboundHandlerAdapter 是按照 addLast 的逆序执行的。ChannelPipeline 的实现是一个 ChannelHandlerContext（包装了 ChannelHandler） 组成的 双向链表 。

• 入站处理器中，ctx.fireChannelRead(msg) 是 调用下一个入站处理器
  • 如果注释掉 1 处代码，则仅会打印 1
  • 如果注释掉 2 处代码，则仅会打印 1 2
• 3 处的 ctx.channel().write(msg) 会 从尾部开始触发 后续出站处理器的执行
  • 如果注释掉 3 处代码，则仅会打印 1 2 3
• 类似的，出站处理器中，ctx.write(msg, promise) 的调用也会 触发上一个出站处理器
  • 如果注释掉 6 处代码，则仅会打印 1 2 3 6
• ctx.channel().write(msg) vs ctx.write(msg)
  • 都是触发出站处理器的执行
  • ctx.channel().write(msg) 从尾部开始查找出站处理器
  • ctx.write(msg) 是从当前节点找上一个出站处理器
  • 3 处的 ctx.channel().write(msg) 如果改为 ctx.write(msg) 仅会打印 1 2 3，因为节点3 之前没有其它出站处理器了
  • 6 处的 ctx.write(msg, promise) 如果改为 ctx.channel().write(msg) 会打印 1 2 3 6 6 6… 因为 ctx.channel().write() 是从尾部开始查找，结果又是节点6 自己

下图是服务端 pipeline 触发的原始流程，图中数字代表了处理步骤的先后次序。

七、ByteBuf 详解

ByteBuf 是对字节数据的封装

7.1 ByteBuf 创建

ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
log(buffer);

上面代码创建了一个默认的 ByteBuf（池化基于直接内存的 ByteBuf），初始容量是 10。

read index:0 write index:0 capacity:10

其中 log 方法参考如下：

private static void log(ByteBuf buffer) {
    int length = buffer.readableBytes();
    int rows = length / 16 + (length % 15 == 0 ? 0 : 1) + 4;
    StringBuilder buf = new StringBuilder(rows * 80 * 2)
        .append("read index:").append(buffer.readerIndex())
        .append(" write index:").append(buffer.writerIndex())
        .append(" capacity:").append(buffer.capacity())
        .append(NEWLINE);
    appendPrettyHexDump(buf, buffer);
    System.out.println(buf.toString());
}

7.2 直接内存 vs 堆内存

可以使用下面的代码来创建池化 基于堆的 ByteBuf 。

ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.heapBuffer(10);

也可以使用下面的代码来创建池化 基于直接内存的 ByteBuf 。

ByteBuf buffer = ByteBufAllocator.DEFAULT.directBuffer(10);

• 直接内存创建和销毁的代价昂贵，但读写性能高（少一次内存复制），适合配合池化功能一起用。
• 直接内存对 GC 压力小，因为这部分内存不受 JVM 垃圾回收的管理，但也要注意及时主动释放。

7.3 池化 vs 非池化

池化的最大意义在于可以重用 ByteBuf ，优点有：

• 没有池化，则每次都得创建新的 ByteBuf 实例，这个操作对直接内存代价昂贵，就算是堆内存，也会增加 GC 压力。
• 有了池化，则可以重用池中 ByteBuf 实例，并且采用了与 jemalloc 类似的内存分配算法提升分配效率。
• 高并发时，池化功能更节约内存，减少内存溢出的可能。

池化功能是否开启，可以通过下面的系统环境变量来设置：

-Dio.netty.allocator.type={unpooled|pooled}

7.4 ByteBuf 的组成

ByteBuf 由四部分组成：

最开始读写指针都在 0 位置

7.5 ByteBuf 的写入

方法列表，省略一些不重要的方法：

方法签名	含义	备注
writeBoolean(boolean value)	写入 boolean 值	用一字节 01|00 代表 true|false
writeByte(int value)	写入 byte 值
writeShort(int value)	写入 short 值
writeInt(int value)	写入 int 值	Big Endian，即 0x250，写入后 00 00 02 50
writeIntLE(int value)	写入 int 值	Little Endian，即 0x250，写入后 50 02 00 00
writeLong(long value)	写入 long 值
writeChar(int value)	写入 char 值
writeFloat(float value)	写入 float 值
writeDouble(double value)	写入 double 值
writeBytes(ByteBuf src)	写入 netty 的 ByteBuf
writeBytes(byte[] src)	写入 byte[]
writeBytes(ByteBuffer src)	写入 nio 的 ByteBuffer
int writeCharSequence(CharSequence sequence, Charset charset)	写入字符串

注意：

• 这些方法未指明返回值的，其返回值都是 ByteBuf，意味着可以链式调用。
• 网络传输，默认习惯是 Big Endian。

先写入 4 个字节

buffer.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
log(buffer);

结果是

read index:0 write index:4 capacity:10
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

再写入一个 int 整数，也是 4 个字节

buffer.writeInt(5);
log(buffer);

结果是

read index:0 write index:8 capacity:10
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

还有一类方法是 set 开头的一系列方法，也可以写入数据，但不会改变写指针位置

7.6 ByteBuf 的扩容

再写入一个 int 整数时，容量不够了（初始容量是 10），这时会引发扩容

buffer.writeInt(6);
log(buffer);

扩容规则：

• 如何写入后数据大小未超过 512，则选择下一个 16 的整数倍，例如写入后大小为 12 ，则扩容后 capacity 是 16。
• 如果写入后数据大小超过 512，则选择下一个 2^n ，例如写入后大小为 513，则扩容后 capacity 是 2^10 = 1024 （2^9 = 512 已经不够了）。
• 扩容不能超过 max capacity 会报错。

结果是

read index:0 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 00 00 00 05 00 00 00 06             |............    |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

7.7 ByteBuf 的读取

例如读了 4 次，每次一个字节

System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
System.out.println(buffer.readByte());
log(buffer);

读过的内容，就属于废弃部分了，再读只能读那些尚未读取的部分

1
2
3
4
read index:4 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

如果需要重复读取 int 整数 5，怎么办？ 可以在 read 前先做个标记 mark 。

buffer.markReaderIndex();
System.out.println(buffer.readInt());
log(buffer);

结果

5
read index:8 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 06                                     |....            |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这时要重复读取的话，重置到标记位置 reset 。

buffer.resetReaderIndex();
log(buffer);

这时

read index:4 write index:12 capacity:16
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 00 00 00 05 00 00 00 06                         |........        |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

还有种办法是采用 get 开头的一系列方法，这些方法不会改变 read index 。

7.8 retain & release

由于 Netty 中有堆外内存的 ByteBuf 实现，堆外内存最好是手动来释放，而不是等 GC 垃圾回收。

• UnpooledHeapByteBuf 使用的是 JVM 内存，只需等 GC 回收内存即可。
• UnpooledDirectByteBuf 使用的就是直接内存了，需要特殊的方法来回收内存。
• PooledByteBuf 和它的子类使用了池化机制，需要更复杂的规则来回收内存。

回收内存的源码实现，可以关注下面方法的不同实现 protected abstract void deallocate() 。

Netty 这里采用了引用计数法来控制回收内存，每个 ByteBuf 都实现了 ReferenceCounted 接口。

• 每个 ByteBuf 对象的初始计数为 1
• 调用 release 方法计数减 1，如果计数为 0，ByteBuf 内存被回收
• 调用 retain 方法计数加 1，表示调用者没用完之前，其它 handler 即使调用了 release 也不会造成回收
• 当计数为 0 时，底层内存会被回收，这时即使 ByteBuf 对象还在，其各个方法均无法正常使用

谁来负责 release 呢？

不是我们想象的（一般情况下）

ByteBuf buf = ...
try {
    ...
} finally {
    buf.release();
}

请思考，因为 pipeline 的存在，一般需要将 ByteBuf 传递给下一个 ChannelHandler，如果在 finally 中 release 了，就失去了传递性（当然，如果在这个 ChannelHandler 内这个 ByteBuf 已完成了它的使命，那么便无须再传递）

基本规则是，谁是最后使用者，谁负责 release，详细分析如下

• 起点，对于 NIO 实现来讲，在 io.netty.channel.nio.AbstractNioByteChannel.NioByteUnsafe#read 方法中首次创建 ByteBuf 放入 pipeline（line 163 pipeline.fireChannelRead(byteBuf)）
• 入站 ByteBuf 处理原则
  • 对原始 ByteBuf 不做处理，调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，这时无须 release
  • 将原始 ByteBuf 转换为其它类型的 Java 对象，这时 ByteBuf 就没用了，必须 release
  • 如果不调用 ctx.fireChannelRead(msg) 向后传递，那么也必须 release
  • 注意各种异常，如果 ByteBuf 没有成功传递到下一个 ChannelHandler，必须 release
  • 假设消息一直向后传，那么 TailContext 会负责释放未处理消息（原始的 ByteBuf）
• 出站 ByteBuf 处理原则
  • 出站消息最终都会转为 ByteBuf 输出，一直向前传，由 HeadContext flush 后 release
• 异常处理原则
  • 有时候不清楚 ByteBuf 被引用了多少次，但又必须彻底释放，可以循环调用 release 直到返回 true

TailContext 释放未处理消息逻辑

// io.netty.channel.DefaultChannelPipeline#onUnhandledInboundMessage(java.lang.Object)
protected void onUnhandledInboundMessage(Object msg) {
    try {
        logger.debug(
            "Discarded inbound message {} that reached at the tail of the pipeline. " +
            "Please check your pipeline configuration.", msg);
    } finally {
        ReferenceCountUtil.release(msg);
    }
}

具体代码

// io.netty.util.ReferenceCountUtil#release(java.lang.Object)
public static boolean release(Object msg) {
    if (msg instanceof ReferenceCounted) {
        return ((ReferenceCounted) msg).release();
    }
    return false;
}

7.9 slice：零拷贝的体现

对原始 ByteBuf 进行切片成多个 ByteBuf，切片后的 ByteBuf 并没有发生内存复制，还是使用原始 ByteBuf 的内存，切片后的 ByteBuf 维护独立的 read，write 指针。

例，原始 ByteBuf 进行一些初始操作

ByteBuf origin = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(10);
origin.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4});
origin.readByte();
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(origin));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 02 03 04                                        |...             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这时调用 slice 进行切片，无参 slice 是从原始 ByteBuf 的 read index 到 write index 之间的内容进行切片，切片后的 max capacity 被固定为这个区间的大小，因此不能追加 write

ByteBuf slice = origin.slice();
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(slice));
// slice.writeByte(5); 如果执行，会报 IndexOutOfBoundsException 异常

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 02 03 04                                        |...             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

如果原始 ByteBuf 再次读操作（又读了一个字节）

origin.readByte();
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(origin));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 03 04                                           |..              |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这时的 slice 不受影响，因为它有独立的读写指针

System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(slice));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 02 03 04                                        |...             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

如果 slice 的内容发生了更改

slice.setByte(2, 5);
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(slice));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 02 03 05                                        |...             |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这时，原始 ByteBuf 也会受影响，因为底层都是同一块内存

System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(origin));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 03 05                                           |..              |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

7.10 duplicate：零拷贝的体现

就好比截取了原始 ByteBuf 所有内容，并且没有 max capacity 的限制，也是与原始 ByteBuf 使用同一块底层内存，只是读写指针是独立的

7.11 copy

会将底层内存数据进行深拷贝，因此无论读写，都与原始 ByteBuf 无关。

7.12 CompositeByteBuf：零拷贝的体现

可以将多个 ByteBuf 合并为一个逻辑上的 ByteBuf，避免拷贝。

有两个 ByteBuf 如下：

ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});
ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf1));
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf2));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05                                  |.....           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 06 07 08 09 0a                                  |.....           |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

现在需要一个新的 ByteBuf，内容来自于刚才的 buf1 和 buf2，如何实现？

方法1：

ByteBuf buf3 = ByteBufAllocator.DEFAULT
    .buffer(buf1.readableBytes()+buf2.readableBytes());
buf3.writeBytes(buf1);
buf3.writeBytes(buf2);
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf3));

结果

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a                   |..........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

这种方法好不好？回答是不太好，因为进行了数据的内存复制操作

方法2：

CompositeByteBuf buf3 = ByteBufAllocator.DEFAULT.compositeBuffer();
// true 表示增加新的 ByteBuf 自动递增 write index, 否则 write index 会始终为 0
buf3.addComponents(true, buf1, buf2);

结果是一样的

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a                   |..........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

CompositeByteBuf 是一个组合的 ByteBuf，它内部维护了一个 Component 数组，每个 Component 管理一个 ByteBuf，记录了这个 ByteBuf 相对于整体偏移量等信息，代表着整体中某一段的数据。

• 优点，对外是一个虚拟视图，组合这些 ByteBuf 不会产生内存复制
• 缺点，复杂了很多，多次操作会带来性能的损耗

7.13 Unpooled

Unpooled 是一个工具类，类如其名，提供了非池化的 ByteBuf 创建、组合、复制等操作

这里仅介绍其跟【零拷贝】相关的 wrappedBuffer 方法，可以用来包装 ByteBuf

ByteBuf buf1 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf1.writeBytes(new byte[]{1, 2, 3, 4, 5});
ByteBuf buf2 = ByteBufAllocator.DEFAULT.buffer(5);
buf2.writeBytes(new byte[]{6, 7, 8, 9, 10});

// 当包装 ByteBuf 个数超过一个时, 底层使用了 CompositeByteBuf
ByteBuf buf3 = Unpooled.wrappedBuffer(buf1, buf2);
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf3));

输出

         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a                   |..........      |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

也可以用来包装普通字节数组，底层也不会有拷贝操作

ByteBuf buf4 = Unpooled.wrappedBuffer(new byte[]{1, 2, 3}, new byte[]{4, 5, 6});
System.out.println(buf4.getClass());
System.out.println(ByteBufUtil.prettyHexDump(buf4));

输出

class io.netty.buffer.CompositeByteBuf
         +-------------------------------------------------+
         |  0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+
|00000000| 01 02 03 04 05 06                               |......          |
+--------+-------------------------------------------------+----------------+

7.14 ByteBuf 的优势

• 池化 - 可以重用池中 ByteBuf 实例，更节约内存，减少内存溢出的可能
• 读写指针分离，不需要像 ByteBuffer 一样切换读写模式
• 可以自动扩容
• 支持链式调用，使用更流畅
• 很多地方体现零拷贝，例如 slice、duplicate、CompositeByteBuf

八、双向通信

8.1 实现一个 echo server

编写 server

new ServerBootstrap()
    .group(new NioEventLoopGroup())
    .channel(NioServerSocketChannel.class)
    .childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) {
            ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter(){
                @Override
                public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
                    ByteBuf buffer = (ByteBuf) msg;
                    System.out.println(buffer.toString(Charset.defaultCharset()));

                    // 建议使用 ctx.alloc() 创建 ByteBuf
                    ByteBuf response = ctx.alloc().buffer();
                    response.writeBytes(buffer);
                    ctx.writeAndFlush(response);

                    // 思考：需要释放 buffer 吗
                    // 思考：需要释放 response 吗
                }
            });
        }
    }).bind(8080);

编写 client

NioEventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
Channel channel = new Bootstrap()
    .group(group)
    .channel(NioSocketChannel.class)
    .handler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
            ch.pipeline().addLast(new StringEncoder());
            ch.pipeline().addLast(new ChannelInboundHandlerAdapter() {
                @Override
                public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) {
                    ByteBuf buffer = (ByteBuf) msg;
                    System.out.println(buffer.toString(Charset.defaultCharset()));

                    // 思考：需要释放 buffer 吗
                }
            });
        }
    }).connect("127.0.0.1", 8080).sync().channel();

channel.closeFuture().addListener(future -> {
    group.shutdownGracefully();
});

new Thread(() -> {
    Scanner scanner = new Scanner(System.in);
    while (true) {
        String line = scanner.nextLine();
        if ("q".equals(line)) {
            channel.close();
            break;
        }
        channel.writeAndFlush(line);
    }
}).start();

8.2 读和写的误解

我最初在认识上有这样的误区，认为只有在 netty，nio 这样的多路复用 IO 模型时，读写才不会相互阻塞，才可以实现高效的双向通信，但实际上，Java Socket 是全双工的：在任意时刻，线路上存在A 到 B 和 B 到 A 的双向信号传输。即使是阻塞 IO，读和写是可以同时进行的，只要分别采用读线程和写线程即可，读不会阻塞写、写也不会阻塞读

例如

public class TestServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(8888);
        Socket s = ss.accept();

        new Thread(() -> {
            try {
                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
                while (true) {
                    System.out.println(reader.readLine());
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
                // 例如在这个位置加入 thread 级别断点，可以发现即使不写入数据，也不妨碍前面线程读取客户端数据
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    writer.write(String.valueOf(i));
                    writer.newLine();
                    writer.flush();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

客户端

public class TestClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket s = new Socket("localhost", 8888);

        new Thread(() -> {
            try {
                BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(s.getInputStream()));
                while (true) {
                    System.out.println(reader.readLine());
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();

        new Thread(() -> {
            try {
                BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(s.getOutputStream()));
                for (int i = 0; i < 100; i++) {
                    writer.write(String.valueOf(i));
                    writer.newLine();
                    writer.flush();
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}