Netty 框架學習 —— 初識 Netty-有解無憂

Netty 是一款異步的事件驅動的網路應用程式框架，支持快速地開發可維護的高性能的面向協議的服務器和客戶端

Java 網路編程

早期的 Java API 只支持由本地系統套接字庫提供的所謂的阻塞函式，下面的代碼展示了一個使用傳統 Java API 的服務器代碼的普通示例

// 創建一個 ServerSocket 用以監聽指定埠上的連接請求
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5000);
// 對 accept 方法的呼叫將被阻塞，直到一個連接建立
Socket clientSocket = serverSocket.accept();
// 這些流物件都派生于該套接字的流物件
BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
PrintWriter out = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
String request, response;
// 客戶端發送了 "Done" 則退出回圈
while ((request = in.readLine()) != null) {
    if ("Done".equals(request)) {
        break;
    }
    // 請求被傳遞給服務器的處理方法
    response = processRequest(request);
    // 服務器的回應被發送給客戶端
    out.println(response);
}

這段代碼只能同時處理一個連接，要管理多個客戶端，就要為每個新的客戶端 Socket 創建一個新的 Thread，讓我們來考慮一下這種方案的影響：

在任何時候都會有大量執行緒處于休眠狀態，造成資源浪費
需要為每個執行緒的呼叫堆疊都分配記憶體
執行緒的背景關系切換會帶來開銷

這種并發方案對于中小數量的客戶端還算理想，但不能很好地支持更大的并發，幸運的是，還有另一種解決方案

Java NIO

NIO（Non-blocking I/O，也稱 New I/O），是一種同步非阻塞的 I/O 模型，也是 I/O 多路復用的基礎，傳統的 IO 流是阻塞的，這意味著，當一個執行緒呼叫讀或寫操作時，執行緒將被阻塞，直至資料被完全讀取或寫入，NIO 的非阻塞模式，使一個執行緒進行讀或寫操作時，如果目前無資料可用時，就不做操作，而不是保持執行緒阻塞，所以直至資料就緒以前，執行緒可以繼續做其他事情

class java.nio.channels.Selector 是 Java 非阻塞 IO 實作的關鍵，它使用事件通知 API 以確定在一組非阻塞套接字中有哪些已經就緒并能進行 IO 相關操作，因為可以在任何時間點任意檢查讀操作或寫操作的完成情況，所以單一執行緒可以處理多個并發的連接

與阻塞 IO 模型相比，這種模型提供了更好的資源管理：

使用較少的執行緒便可以處理許多連接，減少記憶體管理和背景關系切換所帶來的開銷
當沒有 IO 操作需要處理時，執行緒也可以用戶其他任務

盡管 Java NIO 如此高效，但要做到正確和安全并不容易，在高負載下可靠和高效地處理和調度 IO 操作是一項煩瑣且容易出錯的任務，所幸，有 Netty 能幫助我們解決問題

Netty

Netty 是一個廣泛使用的 Java 網路編程框架，它隱藏了 Java 高級 API 背后的復雜性，提供一個易于使用的 API 的客戶端/服務器框架，在這里我們將要討論 Netty 的主要構件：

1. Channel

Channel 是 Java NIO 的一個基本構造，可以把 Channel 簡單看作是傳入（入站）或傳出（出站）資料的載體，因此，它可以被打開或關閉，連接或斷開連接

2. 回呼

一個回呼其實就是一個方法，Netty 使用回呼來處理事件，當一個回呼被觸發時，相關的事件可以被 ChannelHandler 的實作處理，下面的代碼展示了這樣一個例子：當一個新的連接已經建立，ChannelHandler 的 channelActive() 的回呼方法將會被呼叫，并列印出一條資訊

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

3. Future

Future 提供了另一種在操作完成時通知應用程式的方式，它將在未來的某個時刻完成，并提供對其結果的訪問，雖然 Java 提供了 Future 的一種實作，但需要手動檢查對應操作是否已經完成，或一直阻塞直到它完成，十分煩瑣，Netty 提供了自己的實作 ChannelFuture，用于執行異步操作的時候使用

ChannelFuture 提供了幾種額外的方法，這些方法使得我們能夠注冊一個或多個 ChannelFutureListener 實體，監聽器的回呼方法 operationComplete() 將會在對應操作完成時被呼叫，每個 Netty 的 IO 操作都會回傳一個 ChannelFuture，它們都不會被阻塞，可以同時做其他作業，更加有效的利用資源

Channel channel = ...;
// 異步地連接到遠程結點
ChannelFuture future = channel.connect(new InetSocketAddress("192.168.0.1", 25));
// 注冊一個 ChannelFutureListener
future.addListener(new ChannelFutureListener() {
    
    @Override
    public void operationComplete(ChannelFuture future) {
        // 如果操作成功
        if(future.isSuccess()) {
            ...
        } else {
            // 發生例外
            ...
        }
    }
});

4. 事件和 ChannelHandler

Netty 使用不同的事件來觸發合適的動作，事件是按照與入站或出站資料流的相關性進行分類的，可能由入站資料或相關狀態更改而觸發的事件包括：

連接已被激活或失效
資料讀取
用戶事件
錯誤事件

出站事件是未來將會觸發的某個動作的操作結果，包括：

打開或關閉到遠程結點的連接
將資料寫到或沖刷到套接字

每個事件都可分發給 ChannelHandler 類中的某個用戶實作的方法，下圖展示了一個事件如何被一個 ChannelHandler 鏈處理

Netty 提供了大量預定義的 ChannelHandler 實作，供開發者使用

5. 總結

Netty 的異步編程模型是建立在 Future 和回呼的概念之上的，將事件派發到 ChannelHandler 攔截并高速地轉換入站資料和出站資料，開發者只需要提供回呼或者利用回傳的 Future 即可，Netty 通過觸發事件將 Selector 從應用程式中抽象出來，消除了本需手寫的派發代碼，在內部，將會為每個 Channel 分配一個 EventLoop，用于處理所有事件，包括：

注冊感興趣的時間
將事件派發給 ChannelHandler
安排進一步的動作

EventLoop 本身只有一個執行緒驅動，處理了一個 Channel 的所有 IO 事件，這個簡單而強大的設計消除了可能在 ChannelHandler 實作中需要進行同步的任何顧慮，因此我們只需專注于提供正確的邏輯即可

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