Netty

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本文深入讲解Netty框架，包括其在网络应用开发中的优势、创建步骤、通讯方式及心跳检测机制。探讨了Netty在大数据、互联网、游戏行业的广泛应用，以及其高效、异步事件驱动的NIO模型。

Netty

https://blog.youkuaiyun.com/curiouslearnerdhh/article/details/66477423

Netty概述：
1、netty是基于Java NIO的网络应用框架，client-server框架
2、Netty是一个高性能、异步事件驱动的NIO框架，它提供了对TCP、UDP和文件传输的支持，
作为一个异步NIO框架，Netty的所有IO操作都是异步非阻塞的，
通过Future-Listener机制，用户可以方便的主动获取或者通过通知机制获得IO操作结果。
3、作为当前最流行的NIO框架，Netty在互联网领域、大数据分布式计算领域、游戏行业、通信行业等获得了广泛的应用，
一些业界著名的开源组件也基于Netty的NIO框架构建。

Netty创建步骤：

NIO通讯服务端步骤：
1、创建ServerSocketChannel,为它配置非阻塞模式
2、绑定监听，配置TCP参数，录入backlog大小等
3、创建一个独立的IO线程，用于轮询多路复用器Selector
4、创建Selector，将之前的ServerSocketChannel注册到Selector上，并设置监听标识位SelectionKey.ACCEPT
5、启动IO线程，在循环体中执行Selector.select()方法，轮询就绪的通道
6、当轮询到处于就绪的通道时，需要进行判断操作位，如果是ACCEPT状态，说明是新的客户端介入，则调用accept方法接受新的客户端。
7、设置新接入客户端的一些参数，并将其通道继续注册到Selector之中。设置监听标识等
8、如果轮询的通道操作位是READ，则进行读取，构造Buffer对象等
9、更细节的还有数据没发送完成继续发送的问题

Netty实现通讯的步骤：
1、创建两个NIO线程组，一个专门用来网络事件处理（接受客户端连接），另一个则进行网络通讯读写
2、创建一个ServerBootstrap对象，配置Netty的一系列参数，例如接受传入数据的缓存大小等。
3、创建一个实际处理数据的类ChannelInitializer,进行初始化的准备工作，比如设置传入数据的字符集，格式，实现实际处理数据的接口。
4、绑定端口，执行同步阻塞方法等待服务器启动即可。

当对于NIO模型，netty简单、健壮、性能稳定，而且这几步都是模板式开发，以后可以直接用，开发只需专注实际处理数据类的实现。

Netty最佳实践（数据通讯、心跳检测）

netty服务最好可以单独作为一个项目，当然也可以与web项目集成在一起发布到tomcat，
这样好处是可以用到web项目中的service方法，但是web项目8080关闭，netty监听的端口号也关闭了
所以netty可以打成jar包运行，当然如果要用到service层的代码，也可以将service层的代码打成jar包
给netty业务类使用。

netty通讯的方式：
①使用长连接通道不断开的形式进行通信，也就是服务器和客户端的通道一直处于开启状态，如果服务器的
性能比较好，而且客户端的数量也不多的情况下，可以考虑这种方式
②一次性批量提交数据，采用短连接的方式，也就是我们把数据保存在本地临时缓冲区或者临时表中，
当达到临界值时进行一次性批量提交，又或者根据定时任务轮询提交，这种情况下弊端是做不到
实时性传输，在实时性要求不高的程序中可以采用
③采用一种特殊的长连接，在指定某一段时间之内，服务端和某台客户端没有任何通讯，则断开连接，

下次如果客户端要向服务端发送数据时，再次建立连接。

但有两个因素要考虑：

1、如何在超时（即服务端和客户端没有任何通信）后关闭通道？关闭后如何再次连接？

2、客户端宕机，无需考虑，下次客户端重启后可以与服务端建立连接，但是服务器宕机怎么办？

服务端代码Server：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
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.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import io.netty.handler.timeout.ReadTimeoutHandler;
public class Server {
public static void main(String[] args) throws Exception{
EventLoopGroup pGroup = new NioEventLoopGroup(); //线程组：用来处理网络事件处理（接受客户端连接）
EventLoopGroup cGroup = new NioEventLoopGroup(); //线程组：用来进行网络通讯读写
//Bootstrap用来配置参数
ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
b.group(pGroup, cGroup)
.channel(NioServerSocketChannel.class) //注册服务端channel
/**
* BACKLOG用于构造服务端套接字ServerSocket对象，标识当服务器请求处理线程全满时，
* 用于临时存放已完成三次握手的请求的队列的最大长度。如果未设置或所设置的值小于1，将使用默认值50。
* 服务端处理客户端连接请求是顺序处理的，所以同一时间只能处理一个客户端连接，多个客户端来的时候，
* 服务端将不能处理的客户端连接请求放在队列中等待处理，backlog参数指定了队列的大小
*/
.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 1024)
//设置日志
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
protected void initChannel(SocketChannel sc) throws Exception {
//marshaliing的编解码操作,要传输对象，必须编解码
sc.pipeline().addLast(MarshallingCodeCFactory.buildMarshallingDecoder());
sc.pipeline().addLast(MarshallingCodeCFactory.buildMarshallingEncoder());
//5s没有交互，就会关闭channel
sc.pipeline().addLast(new ReadTimeoutHandler(5));
sc.pipeline().addLast(new ServerHandler()); //服务端业务处理类
}
});
ChannelFuture cf = b.bind(8765).sync();
cf.channel().closeFuture().sync();
pGroup.shutdownGracefully();
cGroup.shutdownGracefully();
}
}

客户端代码：

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 io.netty.handler.logging.LogLevel;
import io.netty.handler.logging.LoggingHandler;
import io.netty.handler.timeout.ReadTimeoutHandler;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Client {
private static class SingletonHolder {
static final Client instance = new Client();
}
public static Client getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}
private EventLoopGroup group;
private Bootstrap b;
private ChannelFuture cf ;
private Client(){
group = new NioEventLoopGroup();
b = new Bootstrap();
b.group(group)
.channel(NioSocketChannel.class)
.handler(new LoggingHandler(LogLevel.INFO))
.handler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
@Override
protected void initChannel(SocketChannel sc) throws Exception {
sc.pipeline().addLast(MarshallingCodeCFactory.buildMarshallingDecoder());
sc.pipeline().addLast(MarshallingCodeCFactory.buildMarshallingEncoder());
//超时handler（当服务器端与客户端在指定时间以上没有任何进行通信，则会关闭响应的通道，主要为减小服务端资源占用）
sc.pipeline().addLast(new ReadTimeoutHandler(5));
sc.pipeline().addLast(new ClientHandler()); //客户端业务处理类
}
});
}
public void connect(){
try {
this.cf = b.connect("127.0.0.1", 8765).sync();
System.out.println("远程服务器已经连接, 可以进行数据交换..");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public ChannelFuture getChannelFuture(){
//如果管道没有被开启或者被关闭了，那么重连
if(this.cf == null){
this.connect();
}
if(!this.cf.channel().isActive()){
this.connect();
}
return this.cf;
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
final Client c = Client.getInstance();
ChannelFuture cf = c.getChannelFuture();
for(int i = 1; i <= 3; i++ ){
//客户端发送的数据
UserParam request = new UserParam();
request.setId("" + i);
request.setName("pro" + i);
request.setRequestMessage("数据信息" + i);
cf.channel().writeAndFlush(request);
TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
}
//当5s没有交互，就会异步关闭channel
cf.channel().closeFuture().sync();
//再模拟一次传输
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
ChannelFuture cf = c.getChannelFuture();
//System.out.println(cf.channel().isActive());
//System.out.println(cf.channel().isOpen());
//再次发送数据
UserParam request = new UserParam();
request.setId("" + 4);
request.setName("pro" + 4);
request.setRequestMessage("数据信息" + 4);
cf.channel().writeAndFlush(request);
cf.channel().closeFuture().sync();
System.out.println("子线程结束.");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
System.out.println("断开连接,主线程结束..");
}
}

服务端处理类：

import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
public class ServerHandler extends ChannelHandlerAdapter{
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
//接受客户端对象
UserParam user = (UserParam)msg;
System.out.println("客户端发来的消息 : " + user.getId() + ", " + user.getName() + ", " + user.getRequestMessage());
//给客户端返回对象
UserData response = new UserData();
response.setId(user.getId());
response.setName("response" + user.getId());
response.setResponseMessage("响应内容" + user.getId());
ctx.writeAndFlush(response);
//处理完毕，关闭服务端
//ctx.addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
ctx.close();
}
}

客户端处理类：

import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;
public class ClientHandler extends ChannelHandlerAdapter{
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
try {
UserData user = (UserData)msg;
System.out.println("服务器返回的消息 : " + user.getId() + ", " + user.getName() + ", " + user.getResponseMessage());
} finally {
ReferenceCountUtil.release(msg);
}
}
@Override
public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
}
@Override
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
ctx.close();
}
}

客户端传输的参数对象UserParam -- > id name requestMessage

服务端传输的参数对象UserData -- > id name responseMessage

心跳检测：

Server代码，Client代码是模板代码，基本都一样，不同是业务处理的方法。

Server业务处理类ServerHeartBeatHandler：

import io.netty.channel.ChannelFutureListener;
import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import java.util.HashMap;
public class ServerHeartBeatHandler extends ChannelHandlerAdapter {
/**
* key:ip value:auth **
* 拥有的客户端列表，从数据库中或者配置文件中读取
*/
private static HashMap<String, String> AUTH_IP_MAP = new HashMap<String, String>();
//模拟授权的key
private static final String SUCCESS_KEY = "auth_success_key";
static {
AUTH_IP_MAP.put("192.168.1.200", "1234");
}
private boolean auth(ChannelHandlerContext ctx, Object msg){
//System.out.println(msg);
String [] ret = ((String) msg).split(",");
String auth = AUTH_IP_MAP.get(ret[0]);
if(auth != null && auth.equals(ret[1])){
ctx.writeAndFlush(SUCCESS_KEY);
return true;
} else {
ctx.writeAndFlush("auth failure !").addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
return false;
}
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
if(msg instanceof String){
auth(ctx, msg);
} else if (msg instanceof RequestInfo) {
//接受客户端发来的他机器的性能参数
RequestInfo info = (RequestInfo) msg;
System.out.println("--------------------------------------------");
System.out.println("当前主机ip为: " + info.getIp());
System.out.println("当前主机cpu情况: ");
HashMap<String, Object> cpu = info.getCpuPercMap();
System.out.println("总使用率: " + cpu.get("combined"));
System.out.println("用户使用率: " + cpu.get("user"));
System.out.println("系统使用率: " + cpu.get("sys"));
System.out.println("等待率: " + cpu.get("wait"));
System.out.println("空闲率: " + cpu.get("idle"));
System.out.println("当前主机memory情况: ");
HashMap<String, Object> memory = info.getMemoryMap();
System.out.println("内存总量: " + memory.get("total"));
System.out.println("当前内存使用量: " + memory.get("used"));
System.out.println("当前内存剩余量: " + memory.get("free"));
System.out.println("--------------------------------------------");
//通知客户端消息已收到
ctx.writeAndFlush("info received!");
}else {
ctx.writeAndFlush("connect failure!").addListener(ChannelFutureListener.CLOSE);
}
}
}

Client业务处理类ClienHeartBeattHandler：

import io.netty.channel.ChannelHandlerAdapter;
import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
import io.netty.util.ReferenceCountUtil;
import java.net.InetAddress;
import java.util.HashMap;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.ScheduledFuture;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.hyperic.sigar.CpuPerc;
import org.hyperic.sigar.Mem;
import org.hyperic.sigar.Sigar;
public class ClienHeartBeattHandler extends ChannelHandlerAdapter {
private ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);
private ScheduledFuture<?> heartBeat;
//主动向服务器发送认证信息
private InetAddress addr ;
private static final String SUCCESS_KEY = "auth_success_key";
@Override
public void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
addr = InetAddress.getLocalHost();
String ip = addr.getHostAddress();
String key = "1234";
//证书
String auth = ip + "," + key;
ctx.writeAndFlush(auth);
}
@Override
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
try {
if(msg instanceof String){
String ret = (String)msg;
if(SUCCESS_KEY.equals(ret)){
// 握手成功，主动发送心跳消息
this.heartBeat = this.scheduler.scheduleWithFixedDelay(new HeartBeatTask(ctx), 0, 2, TimeUnit.SECONDS);
System.out.println(msg);
}
else {
System.out.println(msg);
}
}
} finally {
ReferenceCountUtil.release(msg);
}
}
private class HeartBeatTask implements Runnable {
private final ChannelHandlerContext ctx;
public HeartBeatTask(final ChannelHandlerContext ctx) {
this.ctx = ctx;
}
@Override
public void run() {
try {
RequestInfo info = new RequestInfo();
//ip
info.setIp(addr.getHostAddress());
Sigar sigar = new Sigar();
//cpu prec
CpuPerc cpuPerc = sigar.getCpuPerc();
HashMap<String, Object> cpuPercMap = new HashMap<String, Object>();
cpuPercMap.put("combined", cpuPerc.getCombined());
cpuPercMap.put("user", cpuPerc.getUser());
cpuPercMap.put("sys", cpuPerc.getSys());
cpuPercMap.put("wait", cpuPerc.getWait());
cpuPercMap.put("idle", cpuPerc.getIdle());
// memory
Mem mem = sigar.getMem();
HashMap<String, Object> memoryMap = new HashMap<String, Object>();
memoryMap.put("total", mem.getTotal() / 1024L);
memoryMap.put("used", mem.getUsed() / 1024L);
memoryMap.put("free", mem.getFree() / 1024L);
info.setCpuPercMap(cpuPercMap);
info.setMemoryMap(memoryMap);
ctx.writeAndFlush(info);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
cause.printStackTrace();
if (heartBeat != null) {
heartBeat.cancel(true);
heartBeat = null;
}
ctx.fireExceptionCaught(cause);
}
}
}

netty编解码技术：
java序列化技术，序列化目的：
①网络传输（网络协议是基于二进制的，内存中的参数的值要序列化成二进制的形式）
②对象持久化（对象必须在JVM中存活，不可能超过JVM的生命周期）

虽然我们可以使用java进行对象序列化，netty去传输，但是java序列化的硬伤太多：
1.无法跨语言。这应该是java序列化最致命的问题了。
由于java序列化是java内部私有的协议，其他语言不支持，导致别的语言无法反序列化，这严重阻碍了它的应用。
关于跨语言问题，也就是对象传输，一般都采用json字符串。
2.序列后的码流太大。java序列化的大小是二进制编码的5倍多！
3.序列化性能太低。java序列化的性能只有二进制编码的6.17倍，可见java序列化性能实在太差了。

我们判断一个编码框架的优劣主要从以下几个方面：
1.是否支持跨语言，支持语种是否丰富
2.编码后的码流
3.编解码的性能
4.类库是否小巧，API使用是否方便
5.使用者开发的工作量和难度。

java序列化前3条变现太差，导致在远程服务调用中很少用它

主流的编解码框架:
①JBoss的Marshalling包：
对jdk默认的序列化进行了优化，又保持跟java.io.Serializable接口的兼容，同时增加了一些可调的参数和附加特性，
并且这些参数和特性可通过工厂类的配置
1.可拔插的类解析器，提供更加便捷的类加载定制策略，通过一个接口即可实现定制。
2.可拔插的对象替换技术，不需要通过继承的方式。
3.可拔插的预定义类缓存表，可以减少序列化的字节数组长度，提升常用类型的对象序列化性能。
4.无须实现java.io.Serializable接口
5.通过缓存技术提升对象的序列化性能。
6.使用非常简单
②google的Protobuf
③基于Protobuf的Kyro
④MessagePack框架

Marshalling工具类：

import io.netty.handler.codec.marshalling.DefaultMarshallerProvider;
import io.netty.handler.codec.marshalling.DefaultUnmarshallerProvider;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallerProvider;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallingDecoder;
import io.netty.handler.codec.marshalling.MarshallingEncoder;
import io.netty.handler.codec.marshalling.UnmarshallerProvider;
import org.jboss.marshalling.MarshallerFactory;
import org.jboss.marshalling.Marshalling;
import org.jboss.marshalling.MarshallingConfiguration;
public final class MarshallingCodeCFactory {
/**
* 创建Jboss Marshalling解码器MarshallingDecoder
* @return MarshallingDecoder
*/
public static MarshallingDecoder buildMarshallingDecoder() {
//首先通过Marshalling工具类的精通方法获取Marshalling实例对象参数serial标识创建的是java序列化工厂对象。
final MarshallerFactory marshallerFactory = Marshalling.getProvidedMarshallerFactory("serial");
//创建了MarshallingConfiguration对象，配置了版本号为5
final MarshallingConfiguration configuration = new MarshallingConfiguration();
configuration.setVersion(5);
//根据marshallerFactory和configuration创建provider
UnmarshallerProvider provider = new DefaultUnmarshallerProvider(marshallerFactory, configuration);
//构建Netty的MarshallingDecoder对象，俩个参数分别为provider和单个消息序列化后的最大长度
MarshallingDecoder decoder = new MarshallingDecoder(provider, 1024);
return decoder;
}
/**
* 创建Jboss Marshalling编码器MarshallingEncoder
* @return MarshallingEncoder
*/
public static MarshallingEncoder buildMarshallingEncoder() {
final MarshallerFactory marshallerFactory = Marshalling.getProvidedMarshallerFactory("serial");
final MarshallingConfiguration configuration = new MarshallingConfiguration();
configuration.setVersion(5);
MarshallerProvider provider = new DefaultMarshallerProvider(marshallerFactory, configuration);
//构建Netty的MarshallingEncoder对象，MarshallingEncoder用于实现序列化接口的POJO对象序列化为二进制数组
MarshallingEncoder encoder = new MarshallingEncoder(provider);
return encoder;
}
}

RPC(Remote Procedure Call)：
RPC是指远程过程调用，也就是说两台服务器A，B，一个应用部署在A服务器上，想要调用B服务器上应用提供的函数/方法，
由于不在一个内存空间，不能直接调用，需要通过网络来表达调用的语义和传达调用的数据。

比如远程调用方法：Employee getEmployeeByName(String fullName)
1、要解决通讯的问题，主要是通过在客户端和服务器之间建立TCP连接，远程过程调用的所有交换的数据都在这个连接里传输。
连接可以是按需连接，调用结束后就断掉，也可以是长连接，多个远程过程调用共享同一个连接。

2、要解决寻址的问题，也就是说，A服务器上的应用怎么告诉底层的RPC框架，
如何连接到B服务器（如主机或IP地址）以及特定的端口，方法的名称名称是什么，这样才能完成调用。
比如基于Web服务协议栈的RPC，就要提供一个endpoint URI，或者是从UDDI服务上查找。
如果是RMI调用的话，还需要一个RMI Registry来注册服务的地址。

3、要解决编码的问题，当A服务器上的应用发起远程过程调用时，方法的参数需要通过底层的网络协议如TCP传递到B服务器，
由于网络协议是基于二进制的，内存中的参数的值要序列化成二进制的形式，也就是序列化（Serialize）或编组（marshal），
通过寻址和传输将序列化的二进制发送给B服务器。

4、要解决解码的问题，B服务器收到请求后，需要对参数进行反序列化（序列化的逆操作），恢复为内存中的表达方式，
然后找到对应的方法（寻址的一部分）进行本地调用，然后得到返回值。

5、返回值还要发送回服务器A上的应用，也要经过序列化的方式发送，服务器A接到后，再反序列化，
恢复为内存中的表达方式，交给A服务器上的应用

为什么RPC呢？
就是无法在一个进程内，甚至一个计算机内通过本地调用的方式完成的需求，
比如不同的系统间的通讯，甚至不同的组织间的通讯。由于计算能力需要横向扩展，需要在多台机器组成的集群上部署应用。

而Netty框架不局限于RPC，更多的是作为一种网络协议的实现框架，
由于RPC需要高效的网络通信，就可能选择以Netty作为基础