2023-07-29  阅读(178)
原文作者:说好不能打脸 原文地址:https://yinwj.blog.csdn.net/article/details/48472237

5、再次审视为什么使用Netty

上篇文章我们讨论了Netty的基本原理,重要概念,并使用java代码描述了Netty的基本使用。当然Netty的技术涵盖点远远不是那一篇基础代码就可以全部概括的,但是至少可以给读者一个切入点。让大家去思考一个我们一直在讨论的问题:为什么有了JAVA NIO框架后我们还需要有Netty这样的框架对底层再次进行封装?

5-1、IO模型的封装

5-1-1、再次总结IO模型

在前文中我们已经提到了,几种典型的IO模型(参见系统间通信3、4、5这三篇文章中的介绍,这里再进行一次总结):

  • 阻塞和非阻塞:这个概念是针对应用程序而言,是指应用程序中的线程在向操作系统发送IO请求后,是否一直等待操作系统的IO响应。如果是,那么就是阻塞式的;如果不是,那么应用程序一般会以轮询的方式以一定周期询问操作系统,直到某次获得了IO响应为止(轮序间隔应用程序线程可以做一些其他工作)。
  • 同步和异步:IO操作都是由操作系统进行的(这里的IO操作是个广泛概念了:磁盘IO、网络IO都算),不同的操作系统对不同设备的IO操作都有不同的模式。同步和异步这两个概念都指代的操作系统级别,同步IO是指操作系统和设备进行交互时,必须等待一次完整的请求-响应完成,才能进行下一次操作(当然操作系统和设备本身也有很多技术加快这个反应过程,例如“磁盘预读”技术、数据缓存技术);异步IO是指操作系统和设备进行交互时,不必等待本次得到响应,就可以直接进行下一次操作请求。设备处理完某次请求后, 会主动给操作系统相应的响应通知
  • 多路复用IO:多路复用IO,从本质上看还是一种同步IO,因为它没有100%消除IO_WAIT,操作系统也没有为它提供“主动通知”机制。但是多路复用IO的处理速度已经相当快了,利用设备执行IO操作的时间,操作系统可以继续执行IO请求。并同样采用周期性轮询的方式,获取一批IO操作请求的执行响应。操作系统支持的多路复用IO技术主要有select、poll、epoll、kqueue。
  • 阻塞式同步IO模型:这个从字面上就很好理解了,应用程序请求IO操作,并一直等待处理结果;操作系统同时也进行IO操作,并等待设备的处理结果;可以看出,应用程序的请求线程和操作系统的内核线程都是等待状态。
  • 非阻塞式同步IO模型:应用程序请求IO,并且不用一直等待返回结果就去做其他事情。隔一定的周期,再去询问操作系统上次IO操作有没有结果,直到某一次询问从操作系统拿到IO结果;操作系统内核线程在进行IO操作时,还是处理一直等待设备返回操作结果的状态。
  • 非阻塞式多路复用IO模型:应用程序请求IO的工作采用非阻塞方式进行;操作系统采用多路复用模式工作。
  • 非阻塞式异步IO模型:应用程序请求IO的工作采用非阻塞方式进行,但是不需要轮询了,因为操作系统异步IO其中一个主要特性就是:可以在有IO响应结果的时候, 主动进行通知

5-1-2、对IO模型的再次封装

以上这些IO工作模型,在JAVA中都能够找到对应的支持:传统的JAVA Socket套接字支持阻塞/非阻塞模式下的同步IO(有的技术资料里面也称为OIO或者BIO);JAVA NIO框架在不同操作系统下支持不同种类的多路复用IO技术(windows下的select模型、Linux下的poll/epoll模型);JAVA AIO框架支持异步IO(windows下的IOCP和Linux使用epoll的模拟AIO)

实际上Netty是对JAVA BIO 、JAVA NIO框架的再次封装。让我们不再纠结于选用哪种底层实现。您可以理解成 Netty/MINA 框架是一个面向上层业务实现进行封装的“业务层”框架。而JAVA Socket框架、JAVA NIO框架、JAVA AIO框架更偏向于对下层技术实现的封装,是面向“技术层”的框架

5-2、数据信息格式的封装

“技术层”框架本身只对IO模型技术实现进行了封装,并不关心IO模型中流淌的数据格式;“业务层”框架对数据格式也进行了处理,让我们可以抽出精力关注业务本身。

  • Protobuf数据协议的集成:Netty利用自身的Channelpipeline的设计(在《架构设计:系统间通信(6)——IO通信模型和Netty 上篇》中讲过),对Protobuf数据协议进行了无缝结合。
  • JBoss Marshalling数据协议的集成:JBoss Marshalling 是一个Java对象的序列化API包,修正了JDK自带的序列化包的很多问题,又保持跟 java.io.Serializable 接口的兼容。Netty通过封装这个协议,可以帮助我们在客户端-服务端简便的进行对象系列化和反序列化。
  • HTTP Request / HTTP Response 协议的集成:在Netty中,可以方便的接受和发送Http协议。也就是说,我们可以使用Netty搭建自己的WEB服务器,当然您还可以根据自己的业务要求,方便的设计类似于Struts、Spring MVC这样的WEB框架。

下面是一个使用Netty的Http编码/解码处理器,设计的一个简单的WEB服务器:

    package testNetty;
    
    import java.net.InetSocketAddress;
    import java.nio.channels.spi.SelectorProvider;
    import java.util.concurrent.ThreadFactory;
    
    import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
    import io.netty.buffer.ByteBuf;
    import io.netty.channel.ChannelHandlerContext;
    import io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter;
    import io.netty.channel.ChannelInitializer;
    import io.netty.channel.ChannelOption;
    import io.netty.channel.EventLoopGroup;
    import io.netty.channel.ChannelHandler.Sharable;
    import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
    import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
    import io.netty.channel.socket.nio.NioSocketChannel;
    import io.netty.handler.codec.http.DefaultFullHttpResponse;
    import io.netty.handler.codec.http.FullHttpResponse;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpContent;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpHeaders;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpMethod;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpRequest;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpRequestDecoder;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseEncoder;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpResponseStatus;
    import io.netty.handler.codec.http.HttpVersion;
    import io.netty.util.AttributeKey;
    import io.netty.util.concurrent.DefaultThreadFactory;
    
    import org.apache.commons.logging.Log;
    import org.apache.commons.logging.LogFactory;
    import org.apache.log4j.BasicConfigurator;
    
    public class TestHTTPNetty {
        static {
            BasicConfigurator.configure();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //这就是主要的服务启动器
            ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
    
            //=======================下面我们设置线程池(代码已经详细讲解过,就不再赘述了)
            EventLoopGroup bossLoopGroup = new NioEventLoopGroup(1);
            ThreadFactory threadFactory = new DefaultThreadFactory("work thread pool");
            int processorsNumber = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
            EventLoopGroup workLoogGroup = new NioEventLoopGroup(processorsNumber * 2, threadFactory, SelectorProvider.provider());
            serverBootstrap.group(bossLoopGroup , workLoogGroup);
    
            //========================下面我们设置我们服务的通道类型(代码已经详细讲解过,就不再赘述了)
            serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);
    
            //========================设置处理器
            serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
                /* (non-Javadoc)
                 * @see io.netty.channel.ChannelInitializer#initChannel(io.netty.channel.Channel)
                 */
                @Override
                protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
                    //我们在socket channel pipeline中加入http的编码和解码器
                    ch.pipeline().addLast(new HttpResponseEncoder());
                    ch.pipeline().addLast(new HttpRequestDecoder());
                    ch.pipeline().addLast(new HTTPServerHandler());
                }
            });
    
            serverBootstrap.option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128);
            serverBootstrap.childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);
            serverBootstrap.bind(new InetSocketAddress("0.0.0.0", 83));
        }
    }
    
    /**
     * @author yinwenjie
     */
    @Sharable
    class HTTPServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        /**
         * 日志
         */
        private static Log LOGGER = LogFactory.getLog(HTTPServerHandler.class);
    
        /**
         * 由于一次httpcontent可能没有传输完全部的请求信息。所以这里要做一个连续的记录
         * 然后在channelReadComplete方法中(执行了这个方法说明这次所有的http内容都传输完了)进行处理
         */
        private static AttributeKey<StringBuffer> CONNTENT = AttributeKey.valueOf("content");
    
        /* (non-Javadoc)
         * @see io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter#channelRead(io.netty.channel.ChannelHandlerContext, java.lang.Object)
         */
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            /*
             * 在测试中,我们首先取出客户端传来的参数、URL信息,并且返回给一个确认信息。
             * 要使用HTTP服务,我们首先要了解Netty中http的格式,如下:
             * ----------------------------------------------
             * | http request | http content | http content |
             * ----------------------------------------------
             * 
             * 所以通过HttpRequestDecoder channel handler解码后的msg可能是两种类型:
             * HttpRquest:里面包含了请求head、请求的url等信息
             * HttpContent:请求的主体内容
             * */
            if(msg instanceof HttpRequest) {
                HttpRequest request = (HttpRequest)msg;
                HttpMethod method = request.getMethod();
    
                String methodName = method.name();
                String url = request.getUri();
                HTTPServerHandler.LOGGER.info("methodName = " + methodName + " && url = " + url);
            } 
    
            //如果条件成立,则在这个代码段实现http请求内容的累加
            if(msg instanceof HttpContent) {
                StringBuffer content = ctx.attr(HTTPServerHandler.CONNTENT).get();
                if(content == null) {
                    content = new StringBuffer();
                    ctx.attr(HTTPServerHandler.CONNTENT).set(content);
                }
    
                HttpContent httpContent = (HttpContent)msg;
                ByteBuf contentBuf = httpContent.content();
                String preContent = contentBuf.toString(io.netty.util.CharsetUtil.UTF_8);
                content.append(preContent);
            }
        } 
    
        /* (non-Javadoc)
         * @see io.netty.channel.ChannelInboundHandlerAdapter#channelReadComplete(io.netty.channel.ChannelHandlerContext)
         */
        @Override
        public void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception {
            HTTPServerHandler.LOGGER.info("super.channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx)");
    
            /*
             * 一旦本次http请求传输完成,则可以进行业务处理了。
             * 并且返回响应
             * */
            StringBuffer content = ctx.attr(HTTPServerHandler.CONNTENT).get();
            HTTPServerHandler.LOGGER.info("http客户端传来的信息为:" + content);
    
            //开始返回信息了
            String returnValue = "return response";
            FullHttpResponse response = new DefaultFullHttpResponse(HttpVersion.HTTP_1_1, HttpResponseStatus.OK);
            HttpHeaders httpHeaders = response.headers();
            //这些就是http response 的head信息咯,参见http规范。另外您还可以设置自己的head属性
            httpHeaders.add("param", "value");
            response.headers().set(HttpHeaders.Names.CONTENT_TYPE, "text/plain");
            //一定要设置长度,否则http客户端会一直等待(因为返回的信息长度客户端不知道)
            response.headers().set(HttpHeaders.Names.CONTENT_LENGTH, returnValue.length());
    
            ByteBuf responseContent = response.content();
            responseContent.writeBytes(returnValue.getBytes("UTF-8"));
    
            //开始返回
            ctx.writeAndFlush(response);
        } 
    }

由于上篇文章中已经介绍了Netty的基本使用方法,所以以上的代码将其他不必要的注释、方法都去掉了,只做了实现web服务器的最简代码。但是这段代码本省是可以运行的。下面是运行效果:

202307292144495101.png

5-3、解决了“技术层”框架中的技术问题

通过阅读Netty框架的代码,我们知道了Netty框架至少解决了JAVA NIO框架中的一些Bug:

    sun.nio.ch.Util contains code which is not thread safe and can throw a NullPointerException:
    private static String bugLevel = null;
    
        static boolean atBugLevel(String bl) {      // package-private
            if (bugLevel == null) {
                if (!sun.misc.VM.isBooted())
                    return false;
                java.security.PrivilegedAction pa =
                    new GetPropertyAction("sun.nio.ch.bugLevel");
    // the next line can reset bugLevel to null
                bugLevel = (String)AccessController.doPrivileged(pa);
                if (bugLevel == null)
                    bugLevel = "";
            }
            return (bugLevel != null) && bugLevel.equals(bl);
        }
    
    Suppose that two threads enter the "if (buglevel == null)" body at the same time. The first one runs until the return line and gets scheduled out right after the (buglevel != null) check. The second one then runs until right after the doPrivileged() call, sets bugLevel to null and gets scheduled out. The first one continues and hits a NullPointerException while calling bugLevel.equals() with bugLevel being null.

这个问题在Netty框架中,负责进行JAVA NIO Selector的NioEventLoop类中得到了解决。

  • workaround the infamous epoll 100% CPU bug。http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=6403933。这个Bug出现在linux系统环境,大致是说JAVA NIO 框架在实现 Linux内核 kernel 2.6+中的epoll模型时。Selector.select(timeout)方法不能阻塞指定的timeout时间,导致CPU 100%的情况:
    A DESCRIPTION OF THE PROBLEM :
    Trying to get all bindings from the transient nameserver brings orbd into a state where it consumes 100% CPU. Its interesting to note that the problem only occurs if the client is programmed in c++. I was not able to reproduce the problem with a client programmed in Java.
    
    STEPS TO FOLLOW TO REPRODUCE THE PROBLEM :
    1) Get omniORB 4.1 from http://omniorb.sourceforge.net
    
    2) Compile omniORB (requires python devel package installed)
    cd /tmp
    mkdir omni_local
    tar xvzf omniORB-4.1.0.tar.gz
    cd omniORB-4.1.0
    ./configure --prefix=/tmp/omni_local
    make
    make install
    
    3) Compile the test program (binding_browser, source attached to this report)
    g++ -I/tmp/omni_local/include -L/tmp/omni_local/lib -lomniORB4 -lomniDynamic4 -lomnithread -lpthread -lrt BindingBrowser.cc -o binding_browser
    
    4) Start orbd
    <JAVA_HOME>/bin/orbd -ORBInitialPort 12345
    
    5) Start binding_browser (from another shell)
    5a) export LD_LIBRARY_PATH=/tmp/omni_local/lib:$LD_LIBRARY_PATH
    5b) ./binding_browser -ORBInitRef NameService=corbaloc::1.2@localhost:12345/TNameService
    
    Repeat step 5b until orbd consumes 100% cpu.

这个问题从官方的Bug Database中的描述看,是在JDK7的版本中被解决的。Netty框架在JDK 6+的环境下在JAVA NIO框架封装之上解决了这个Bug。

5-4、半包和粘包问题

我们考虑一下这样的情况:我们编写了一个机器人控制程序,通过一个遥控器(客户端)向机器人(服务器)建立了一个长连接,并通过这个连接连续不断的从遥控器发送控制指令给机器人。由于是连续控制指令,所以指令与指令之间没有间隔(实际上您还可以想想很多类似场景,例如:开发的Online对战游戏)。

我们使用JSON格式作为指令数据的承载格式。那么发送方和接收方的数据发送-接受过程可能如下图所示。

202307292144501502.png

通过上图我们看到了接收方为了接受这两条连贯的指令,一共做了三次接受,第二次接收的时候,收到了一部分message1的内容和一部分message2的内容。这里要说明几个注意事项:

  • MSS:MSS属性是TCP连接双方在三次握手时所确认的每一个TCP报文段中数据字段的最大长度。注意,一是连接双方协商出来的;二是只是数据段的最大长度,不包括IP协议头和TCP协议头的最大长度。
  • 半包是指接收方应用程序在接收信息时,没有接收到一个完成的信息格式块;粘包是指,接收方应用程序在接受信息时,除了接收到发送方应用程序发送的某一个完整数据信息描述外,还接受到了一下发送方应用程序发送的下一个数据信息的一部分。
  • 半包和粘包是针对应用程序来说的,这个问题只会发生在TCP一些进行连续发送数据时(TCP长连接)。UDP不会出现这个问题,因为UDP都是有边界的数据报;TCP短连接也不会出现,因为发送完一个指令信息后连接就断开了,不会发送第二个指令数据。
  • 半包和粘包问题产生的根本是因为TCP本质上没有“数据块”的概念,而是一连串的数据流。 在应用程序层面上我们所定义的“数据块”在TCP层面上并不被协议认可
  • 半包/粘包是一个应用层问题 。要解决半包/粘包问题,就是在应用程序层面建立协商一致的信息还原依据。常见的有两种方式: 一是消息定长 ,即保证每一个完整的信息描述的长度都是一定的,这样无论TCP/IP协议如何进行分片,数据接收方都可以按照固定长度进行消息的还原。 二是在完整的一块数据结束后增加协商一致的分隔符 (例如增加一个回车符)。

在JAVA NIO技术框架中,半包和粘包问题我们需要自己解决,如果使用Netty框架,它其中提供了多种解码器的封装帮助我们解决半包和粘包问题。甚至针对不同的数据格式,Netty都提供了半包和粘包问题的现成解决方式,例如之前我们提到的ProtobufVarint32FrameDecoder解码器,就是专门解决Protobuf数据格式在TCP长连接传输时的半包问题的。

下文中我们会介绍FixedLengthFrameDecoder、DelimiterBasedFrameDecoder、LineBasedFrameDecoder来解决半包/粘包的问题。

由于上文中我们已经通过完整的代码演示了Netty的基本使用,所以下面的示例代码中为了节约篇幅,我只会列出重要的代码片段。

5-4-1、使用FixedLengthFrameDecoder解决问题

FixedLengthFrameDecoder解码处理器将TCP/IP的数据按照指定的长度进行重新拆分,如果接收到的数据不满足设置的固定长度,Netty将等待新的数据到达:

    serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayEncoder());
            ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(20));
            ch.pipeline().addLast(new TCPServerHandler());
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayDecoder());
        }
    });

Netty上层的channelRead事件方法将在Channel接收到20个字符的情况下被触发;而如果剩余的内容不到20个字符,channelRead方法将不会被触发(但注意channelReadComplete方法会触发的啦)。

5-4-2、使用LineBasedFrameDecoder解决问题

LineBasedFrameDecoder解码器,基于最简单的“换行符”进行接收到的信息的再组织。windows和linux两个操作系统中的“换行符”是不一样的,LineBasedFrameDecoder解码器都支持。当然这个解码器没有我们后面介绍的DelimiterBasedFrameDecoder解码器灵活。

    serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayEncoder());
            ch.pipeline().addLast(new LineBasedFrameDecoder(100));
            ch.pipeline().addLast(new TCPServerHandler());
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayDecoder());
        }
    });

那么如果客户端发送的数据是:

this is 0 client \r\n request 1 \r\n”

那么接收方重新通过“换行符”重新组织后,将分两次接受到数据:

this is 0 client
request 1

5-4-3、使用DelimiterBasedFrameDecoder解决问题

DelimiterBasedFrameDecoder是按照“自定义”分隔符(也可以是“回车符”或者“空字符”注意windows系统中和linux系统中“回车符”的表示是不一样的)进行信息的重新拆分。

    serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
        @Override
        protected void initChannel(NioSocketChannel ch) throws Exception {
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayEncoder());
            ch.pipeline().addLast(new DelimiterBasedFrameDecoder(1500, false, Delimiters.lineDelimiter()));
            ch.pipeline().addLast(new TCPServerHandler());
            ch.pipeline().addLast(new ByteArrayDecoder());
        }
    });

DelimiterBasedFrameDecoder有三个参数,这里介绍一下:

    DelimiterBasedFrameDecoder(int maxFrameLength, boolean stripDelimiter, ByteBuf... delimiters)
  • maxFrameLength:最大分割长度,如果接收方在一段长度 大于maxFrameLength的数据段中,没有找到指定的分隔符,那么这个处理器会抛出TooLongFrameException异常。
  • stripDelimiter:这个是一个布尔型参数,指代是否保留指定的分隔符。
  • delimiters:设置的分隔符。一般使用Delimiters.lineDelimiter()或者Delimiters.nulDelimiter()。当然您也可以自定义分隔符,定义成bytebuf的类型就行了。

5-5、专注于业务

Netty框架的特性,使我们不需要关心下层所工作的IO模型,利用Netty提供的面向事件驱动的方法结构,使我们更能集中精力关注应用层业务。

在这5篇文章中,我们重点介绍了几种典型的IO模型,并且介绍了JAVA语言对这几种IO模型的实现,最后我们简单介绍了一下Netty框架,并且比较了JAVA NIO框架和Netty框架侧重点。实际上这几篇文章我们讲述的问题只有一个“信息如何进行传递”。

从下一篇文章开始,我们开始介绍JAVA RMI技术,并从JAVA RMI技术引出一项系统间通信重要的技术RPC,我们还会降到RPC的重要实现 TaoBao-Dubbo框架,最后我们讲解ESB技术和几个典型的ESB实现。这些技术要解决的问题是“传递过程如果进行统筹管理”。

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